Cadmium exposure induces alterations on the volatile metabolome of Rhizobium

Abstract

In agricultural systems the use of phosphate fertilizers is a major input of Cd into the soil, and Cd may reach concentrations interfering with soil microorganisms. The secondary metabolism might provide clues or even deliver sensitive biomarkers that could be used to detect small modifications induced by the environment, such as metal exposure. In this work, comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled to mass spectrometry with a high resolution time of flight analyzer (GC×GC–ToFMS) combined with headspace solid phase microextraction (HS-SPME) was used to screen for alterations in the volatile metabolome of rhizobia exposed to cadmium. The results showed that exposure to cadmium altered the number and amount of metabolites, both intra and extracelullarly. Specifically, peak areas of low chain aliphatic alcohols increased linearly with the increment of cadmium concentration, reflecting the intracellular redox environment of the bacteria. Ethyl acetate emerged as an excellent biomarker for metal stress in bacteria. Apart from providing data on the effects of metal exposure in the volatile metabolome of bacteria, data about bioactive compounds synthesized by this group of soil bacteria that interact with other organisms was also collected, thus widening the role of this group of bacteria beyond nitrogen fixation and legumes.

Nos sistemas agrícolas, o uso de fertilizantes que contêm fosfatos é uma importante via de entrada de Cd nos solos, podendo ser atingidas concentrações que interferem com os microrganismos do solo. O metabolismo secundário pode fornecer pistas e/ou biomarcadores que poderão ser usados para detectar, com elevada sensibilidade, modificações nos organismos induzidas pelo ambiente, tais como efeitos resultantes da exposição a metais. Neste trabalho, a técnica de cromatografia bidimensional acoplada a espectrómetro de massa “time-of-flight” em combinação com a microextração em fase sólida de “headspace” foi usada para estudar as alterações induzidas no metaboloma volátil de rizóbio exposto a cádmio. Os resultados mostram que a exposição ao metal alterou o número e quantidade dos metabolitos, quer intracelular, quer extracelularmente. Em particular, as áreas dos picos correspondentes a álcoois alifáticos de cadeia curta aumentaram linearmente com a concentração de metal, reflectindo o ambiente oxidante induzido pela exposição ao metal. Os resultados sugerem ainda que o metabolito volátil acetato de etilo poderá ser um óptimo marcador de stress induzido por exposição a metais em bactérias. Além dos dados acerca dos efeitos da exposição a metais no metaboloma volátil em bactérias, este trabalho permitiu também detectar compostos com bioactividade descrita na literatura, e que podem contribuir para alargar o papel ecológico desta bactéria do solo para além da fixação biológica de azoto.