Shedding light on the effect of saturated aldehydes and alcohols in Rhizobium cells challenged by cadmium: growth and biochemistry

Abstract

Rhizobia are soil bacteria that play significant agronomic and environmental roles and are decisive contributors to soil fertility. However, these microorganisms are affected by environmental stresses such as cadmium contamination, which alters the metabolism of organisms, including bacterial volatilome (a set of metabolites synthesized by an organism). Two groups of compounds that change in cadmium-exposed rhizobia cells are saturated aldehydes and alcohols, yet the effect of these compounds on bacterial cells is poorly known. In this thesis the effects of different aldehydes (hexanal, heptanal, octanal, nonanal, decanal, undecanal, dodecanal and tridecanal) and alcohols (hexanol, heptanol, octanol and nonanol) separately or in combination with cadmium on growth and biochemistry of Rhizobium cells (strain E20-8) are evaluated. Results show that smaller aldehydes (6 to 10 carbons) reduced lipid peroxidation (37% to 50%), while larger aldehydes (11 to 13 carbons) increased it slightly (20% and 30%) or significantly (> 70%), showing the protective function of the smaller aldehydes and the destabilizing effect of the largest ones in membranes. Enzymes with antioxidant activity such as superoxide dismutase decreased in the presence of smaller aldehydes and increased in the presence of larger ones, showing the activation of antioxidant mechanisms in cells exposed to larger aldehydes. Exposure to different aldehydes did not influence Rhizobium cell growth in most of the conditions tested, either in the presence or absence of Cd. However, exposure to 1mM decanal and 10 μM tridecanal caused a significant increase in Cd growth. The comparison of aldehydes with their conjugated alcohols effects on Rhizobium cells exposed or not to Cd allowed to elucidate which of the two types of compounds was more toxic to cells. Results showed the higher toxicity of most aldehydes compared to their conjugated alcohol in the presence of Cd, suggesting that reduction of aldehydes to alcohols may be an effective mechanism of aldehyde toxicity restriction. This thesis presents new information that helps clarify the changes occurring in bacterial cells exposed to Cd and the cell-induced mechanisms to minimize this toxicity. The contribution is especially relevant in influence that these compounds may have in the protection of bacterial communities under environmental stress contexts.

Os rizóbios são bactérias do solo que têm um papel agronómico e ambiental significativo, sendo contribuidores decisivos para a fertilidade do solo. No entanto, estes microrganismos são afetados por stresses ambientais como a contaminação por cádmio, o que altera o metabolismo dos organismos, incluindo o volatiloma (conjunto de metabolitos sintetizados por um organismo) bacteriano. Dois grupos de compostos que sofrem alteração em células de Rizóbio expostas ao cádmio são os aldeídos e os álcoois saturados, contudo é pouco conhecido o efeito destes compostos nas células bacterianas. Nesta tese são estudados os efeitos de diferentes aldeídos (hexanal, heptanal, octanal, nonanal, decanal, undecanal, dodecanal e tridecanal) e álcoois (hexanol, heptanol, octanol e nonanol) separadamente ou em combinação com cádmio no crescimento e na bioquímica de células de Rhizobium (estirpe E20-8). Os resultados mostram que aldeídos menores (com 6 a 10 carbonos) reduziram a peroxidação lipídica (37% a 50%), enquanto aldeídos maiores (com 11 a 13 carbonos) aumentaram a peroxidação lipídica ligeiramente (20% e 30%) ou significativamente (>70%), evidenciando a função protetora dos aldeídos menores e desestabilizadora dos maiores nas membranas. As enzimas com atividade antioxidante como a superóxido dismutase diminuiu na presença dos aldeídos menores e aumentou na presença dos maiores, mostrando a ativação de mecanismos antioxidantes em células expostas a aldeídos maiores. Na maioria das condições testadas a exposição aos diferentes aldeídos não influenciou o crescimento das células do Rhizobium, tanto na presença como na ausência de Cd, contudo a exposição a 1mM de decanal e 10 μM tridecanal causaram um aumento significativo no crescimento na condição de Cd. A comparação dos efeitos de aldeídos e dos respetivos álcoois conjugados em células de Rhizobium expostas ou não a Cd permite elucidar qual dos dois tipos de compostos apresenta maior toxicidade para as células. Os resultados evidenciaram a maior toxicidade da maioria dos aldeídos comparativamente ao respetivo álcool conjugado na presença de Cd, sugerindo que a redução de aldeídos a álcoois pode ser um mecanismo efetivo de restrição da toxicidade de aldeídos. Esta tese apresenta informação nova que ajuda a esclarecer as alterações que ocorrem em células bacterianas expostas a Cd e os mecanismos induzidos pelas células para minimizar essa mesma toxicidade. O contributo é especialmente relevante na influência que estes compostos possam ter em contextos de proteção das comunidades bacterianas sob stresse ambiental.