Nitrobacter vulgaris: genome-scale model reconstruction and interactions with Nitrosomonas europaea

Abstract

The fast growing pace of human industrialization and agriculture has led to an increasing contamination of nitrogen reactive species both in soil and water. This contamination is a recalcitrantproblem, damaging the biotic soil communities and causingeutrophication of aquatic systems. The main focus of this work is not only to solve the nitrogen contamination problem, but to take advantage of it. In this work we demonstrate how Metabolic Engineering and two bacteria, Nitrosomonas europaea and Nitrobacter vulgaris, could offer a biotechnological solution to the nitrogen problem. N. europaea is a well-studied species of ammonia-oxidizing bacteria, capable of consuming ammonia and producing nitrite. On the other hand,N.vulgaris, was subjected to few studies, and is a nitrite-oxidizing bacteria, capable of oxidize nitrite into nitrate. In this work, a Genome-Scale Metabolicmodel of N. vulgaris was reconstructed using a specialized software,merlin, and it was combined with a previously reconstructedmodel of N. europaea, resulting in a communitymodel. This allowsin silico simulation of these bacteria, providing crucial information about both species, their interactions and uses. A semi-automatic annotation of the N. vulgaris genome was performed, as well as curation of its metabolic pathways and reactions. A steady-state culture of N. vulgaris was established in vivo, suppling data that was used to validate and shape the model. Data obtained in vivorevealedthat the N. vulgarismodel accurately represents the organism. The N. vulgaris model is fully functional and helped the understanding of the bacterium reaction in different conditions. The community model representing the N. europaea – N. vulgaris system shows that both bacteria can cooperate in the nitrogen species oxidation process. With these models at our disposal, an optimized approach that removes ammonia and nitrite from wastewater or recirculating aquaculture systems (RAS) and nitrate can be collected. Therefore, in addition to providing decontamination from several nitrogen reactive species (ammonia, ammonium and nitrite) producing of nitrate, a valuable compound fertilizers, that is still currently collected in itsimpure formsfrom mines.

O rápido crescimento da industrialização e agricultura levou a um aumento na contaminação de espécies azotadas ativas em ambos solos e águas. Esta contaminação é um problema recalcitrante e em curso, tornando os solos inférteis e sistemas aquáticos eutrofizados. O objetivo principal deste trabalho é não só resolver o problema de contaminação de azoto, mas também tirar proveito dele. Neste trabalho demonstramos como Engenharia Metabólica e duas bactérias, Nitrosomonas europaea e Nitrobacter vulgaris, podem oferecer uma solução ao problema do azoto reativo antropogénico. N. europaea é uma espécie bem estudada de bactéria oxidante de amoníaco capaz de consumir amoníaco e produzir nitrito. N. vulgaris, por outro lado, foi sujeita a poucos estudos e é uma bactéria oxidante de nitrito, capaz de oxidar nitrito a nitrato. Neste trabalho, um modelo Genómico à Escala Metabólica de N. vulgaris foi reconstruído usando o merlin (um software especializado para este processo) e foi combinado com um modelo já existente de N. europaea, resultando num modelo de comunidade. Isto permitirá simulações in silicodestas bactérias, fornecendo informação crucial sobre ambas as espécies, as suas interações e usos. Foi realizada uma anotação semi-automática ao genoma de N. vulgaris, assim como a curaçãodas suas vias e reações metabólicas. Foi estabelecida uma cultura contínua in vivo, que permitiu recolher dados que foram usados para validar e moldar o modelo. Dados obtidos in vivo revelaram que o modelo de N. vulgaris representa o organismo com precisão. O modelo da N. vulgaris é funcional e permitiuna compreensão da resposta da bactéria quando sujeita a diferentes condições O modelo de comunidade que representa o sistema N. europaea – N. vulgaris demonstra que ambas as espécies podem cooperar na oxidação de espécies azotadas. Com estes modelos à nossa disposição, uma abordagem para a remoção de amoníaco e nitrito de águas residuais ousistemas de recirculação de aquaculturas enitrato pode ser alcançado. Isto, em conjunto com a descontaminação de espécies reativas de nitrogénio (amoníaco, amónio e nitrito) produzindo nitrato, um composto importante composto para fertilizantes, que é atualmente obtido em minas nas suas formas impuras.