Комбинированное воздействие этоксилированного нонилфенола и наночастиц оксида меди (CuO) на биопленки Rhodococcus ruber

Обоснование. Этоксилированный нонилфенол (ЭНФ) — поверхностно-активное вещество с высокой токсичностью и эндокринно-разрушающим действием, сохраняющимся после частичной биодеградации. В нанобиоремедиации сублетальные концентрации наночастиц могут индуцировать горметический эффект, стимулируя образование биопленок и усиливая катаболический потенциал микроорганизмов. В частности, наночастицы оксида меди (НЧ CuO) в сублетальных концентрациях модифицируют поверхностные свойства клеток и стимулируют формирование биопленок, усиливая биокаталитический потенциал бактерий рода Rhodococcus в биоремедиации. Однако механизмы адаптации биопленок родококков к органическим ксенобиотикам и нанометаллам недостаточно изучены.

Цель исследования. Оценить влияние комбинированного воздействия ЭНФ и сублетальных концентраций НЧ CuO на морфологию, свойства и формирование биопленок Rhodococcus ruber.

Материалы и методы. Использовали штаммы R. ruber ИЭГМ 1263 и ИЭГМ 71 из Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов. Определяли минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) при воздействии ЭНФ (0,16–100 г/л) и НЧ CuO (0,0007–0,5 г/л). Биопленки выращивали на полипропиленовых дисках, ζ-потенциал клеток измеряли методом динамического светорассеяния, жизнеспособность и морфологию клеточной поверхности изучали с помощью совмещенной конфокальной лазерной и атомно-силовой микроскопии (КЛСМ-АСМ).

Результаты. Комбинированное воздействие ЭНФ и НЧ CuO приводило к снижению жизнеспособности родококков на 20–80 %, при этом суммарный токсический эффект определялся воздействием нанооксида меди. Биопленки штамма R. ruber ИЭГМ 1263, выращенные в присутствии сублетальных (1–10 г/л ЭНФ и 0,001 г/л НЧ CuO) концентраций экотоксикантов, характеризовались пониженной (в 2,6 раз) адсорбцией на носителе, коагрегацией клеток, более отрицательным (–34,2 мВ) значением ζ потенциала и увеличением (до 4,8 нм) шероховатости клеточной поверхности по сравнению с контролем.

Заключение. Выявлены морфофизиологические адаптации клеток Rhodococcus ruber, способствующие формированию биопленок и повышению устойчивости бактерий к комплексному химическому стрессу. Полученные данные подтверждают перспективность использования биопленок родококков для биоремедиации экосистем, загрязненных органическими ксенобиотиками и нанометаллами.

1. Zhang J, Yang M, Zhang Y, Chen M. Biotransformation of nonylphenol ethoxylates during sewage treatment under anaerobic and aerobic conditions. J Environ Sci (China). 2008; 20(2): 135–141. doi: 10.1016/S1001-0742(08)60021-2

2. Lu D, Yu L, Li M, Zhai Q, Tian F, Chen W. Behavioral disorders caused by nonylphenol and strategies for protection. Chemosphere. 2021; 275: 129973. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.129973

3. Corvini PF, Vinken R, Hommes G, Schmidt B, Dohmann M. Degradation of the radioactive and non-labelled branched 4(3’,5’-dimethyl 3’-heptyl)-phenol nonylphenol isomer by sphingomonas TTNP3. Biodegradation. 2004; 15(1): 9–18. doi: 10.1023/b:biod.0000009937.20251.d2

4. Lu J, Jin Q, He Y, Wu J, Zhao J. Biodegradation of nonylphenol ethoxylates by Bacillus sp. LY capable of heterotrophic nitrification. FEMS Microbiol Lett. 2008; 280(1): 28– 33. doi: 10.1111/j.1574-6968.2007.01039.x

5. Mishra S, Huang Y, Li J, Wu X, Zhou Z, Lei Q, et al. Biofilm-mediated bioremediation is a powerful tool for the removal of environmental pollutants. Chemosphere. 2022; 294: 133609. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.133609

6. Ningombam L, Mana T, Apum G, Ningthoujam R, Singh YD. Nano-bioremediation: A prospective approach for environmental decontamination in focus to soil, water, and heavy metals. Environ Nanotechnol Monit Manag. 2024; 21: 100931. doi: 10.1016/j.enmm.2024.100931

7. Asghar N, Hussain A, Nguyen DA, Ali S, Hussain I, Junejo A, et al. Advancement in nanomaterials for environmental pollutants remediation: a systematic review on bibliometrics analysis, material types, synthesis pathways, and related mechanisms. J Nanobiotechnology. 2024; 22(1): 26. doi: 10.1186/s12951-023-02151-3

8. Yang Y, Alvarez PJJ. Sublethal Concentrations of Silver Nanoparticles Stimulate Biofilm Development. Environ Sci Technol Lett. 2015; 2(8): 221–226. doi: 10.1021/acs.estlett.5b00159

9. Miao L, Wang C, Hou J, Wang P, Ao Y, Li Y, et al. Response of wastewater biofilm to CuO nanoparticle exposure in terms of extracellular polymeric substances and microbial community structure. Sci Total Environ. 2017; 579: 588–597. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.11.056

10. Ившина И.Б., Куюкина М.С., Криворучко А.В., Тюмина Е.А. Актиномицеты Rhodococcus ruber – ключевые и универсальные биоокислители газообразных алканов С2 -С4 . Микробиология. 2025; 94(1): 3–32. doi: 10.7868/S3034546425010019

11. Abdullah J, Jamil T, Atif M, Khalid S, Metwally K, Yahya G, et al. Recent Advances in the Development of Metal/Metal Oxide Nanoparticle and Antibiotic Conjugates (MNP–Antibiotics) to Address Antibiotic Resistance: Review and Perspective. Int J Mol Sci. 2024; 25(16): 8915. doi: 10.3390/ijms25168915

12. Slavin YN, Asnis J, Häfeli UO, Bach H. Metal nanoparticles: understanding the mechanisms behind antibacterial activity. J Nanobiotechnology. 2017; 15(1): 65. doi: 10.1186/s12951-017-0308-z

13. Pal C, Asiani K, Arya S, Rensing C, Stekel DJ, Larsson DGJ, et al. Chapter Seven – Metal Resistance and Its Association with Antibiotic Resistance. Advances in Microbial Physiology. 2017; 70: 261–313. doi: 10.1016/bs.ampbs.2017.02.001

14. Niño-Martínez N, Salas Orozco MF, MartínezCastañón GA, Torres Méndez F, Ruiz F. Molecular Mechanisms of Bacterial Resistance to Metal and Metal Oxide Nanoparticles. Int J Mol Sci. 2019; 20(11): 2808. doi: 10.3390/ijms20112808

15. Prabhu C, Uchangi S, Deekshit VK. Understanding Bacterial Resistance to Heavy Metals and Nanoparticles: Mechanisms, Implications, and Challenges. J Basic Microbiol. 2025; 65(2): e2400596. doi: 10.1002/jobm.202400596

16. Kuyukina MS, Bayandina EA, Ivshina IB. Interactions of microbial biofilms with metal nanoparticles in the context of bioremediation. Folia Microbiologica. 2026; 1–11. doi: 10.1007/s12223-026-01459-5

17. Баяндина Е.А., Поздеева А.В., Куюкина М.С., Ившина И.Б. Устойчивость коллекционных штаммов родококков к воздействию экотоксиканта – этоксилированного нонилфенола. Вестник ПГУ. Биология. 2023; (4): 337–348. doi: 10.17072/1994-9952-2023-4-337-348

18. Kuyukina MS, Bayandina EA, Kostrikina NA, Sorokin VV, Mulyukin AL, Ivshina IB. Adaptations of Rhodococcus rhodochrous biofilms to oxidative stress induced by copper(II) oxide nanoparticles. Langmuir. 2025; 41(2): 1356–1367. doi: 10.1021/acs.langmuir.4c03987

19. de Carvalho CCCR. Adaptation of Rhodococcus to organic solvents Biology of Rhodococcus. Cham: Springer. 2019; 16: 109–131. doi: 10.1007/978-3-642-12937-7_5

20. Pátek M, Grulich M, Nešvera J. Stress response in Rhodococcus strains. Biotechnol Adv. 2021; 53: 107698. doi: 10.1016/j.biotechadv.2021.107698

21. Rodrigues CJC, de Carvalho CCRC. Rhodococcus erythropolis cells adapt their fatty acid composition during biofilm formation on metallic and non-metallic surfaces. FEMS Microbiol Ecol. 2015; 91(12): fiv135. doi: 10.1093/femsec/fiv135

22. Miao L, Wang C, Hou J, Wang P, Ao Y, Li Y, et al. Aggregation and removal of copper oxide (CuO) nanoparticles in wastewater environment and their effects on the microbial activities of wastewater biofilms. Bioresour Technol. 2016; 216: 537–544. doi: 10.1016/j.biortech.2016.05.082

23. Ferreyra Maillard A, Gonçalves S, Santos NC, López de Mishima BA, Dalmasso PR, Hollmann A. Studies on interaction of green silver nanoparticles with whole bacteria by surface characterization techniques. Biochim. Biophys. Acta. Biomembranes. 2019; 1861(6): 1086–1092. doi: 10.1016/j.bbamem.2019.03.011

24. Kuyukina MS, Makarova MV, Pistsova ON, Glebov GG, Osipenko MA, Ivshina IB. Exposure to metal nanoparticles changes zeta potentials of Rhodococcus cells. Heliyon. 2022; 8(11): e11632. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e11632

25. Khan R, Inam MA, Khan S, Jiménez AN, Park DR, Yeom IT. The Influence of Ionic and Nonionic Surfactants on the Colloidal Stability and Removal of CuO Nanoparticles from Water by Chemical Coagulation. Int. J. Environ. Res. Public. Health. 2019; 16(7): 1260. doi: 10.3390/ijerph16071260