Cambios composicionales y características ecológicas del moco de lombriz bajo diferentes estímulos eléctricos

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2332 (2023) Citar este artículo

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El moco de lombriz es rico en nutrientes que pueden iniciar la mineralización y humificación de la materia orgánica y es de gran importancia para la remediación de suelos contaminados y la reutilización de lodos. En este estudio, se utilizaron seis combinaciones de voltaje y corriente para promover la producción de moco de lombriz (5 V y 6 V a 10, 20 y 30 mA, respectivamente), para explorar los cambios en la composición del moco producido bajo diferentes estímulos eléctricos y para proponer el mejor grupo de electroestimulación y fracción mucosa aplicable a la remediación de suelos contaminados por metales pesados y reutilización de lodos. Los resultados mostraron que la mucosidad producida por los seis estímulos eléctricos estaba compuesta principalmente por proteínas, aminoácidos, carbohidratos, ácidos grasos y polisacáridos, con pequeñas cantidades de alcohol, fenol y ésteres de sustancias orgánicas. Bajo diferentes estímulos eléctricos, cada componente cambió significativamente (P < 0,05). El pH y la conductividad fueron mayores a 6 V 20 mA, los contenidos de nitrógeno y fósforo totales alcanzaron su máximo a 5 V 30 mA y el potasio total a 6 V 10 mA. Las proteínas, los aminoácidos y los carbohidratos fueron más abundantes en la mucosidad producida a 5 V 10 mA, mientras que los elementos traza metálicos alcanzaron sus valores más bajos a 5 V 10 mA. Finalmente, con base en el análisis de componentes principales y en combinación con estudios previos, se concluyó que el moco producido a 5 V 10 mA era débilmente alcalino, alto en aminoácidos y nutrientes y bajo en elementos de metales traza, y más adecuado para el compostaje de lodos y paja. experimentos, remediación de suelos y experimentos de enmienda.

Las lombrices de tierra son invertebrados que viven en el suelo y, a menudo, funcionan como ingenieros ecológicos en los ecosistemas del suelo1. Desde una perspectiva macroscópica, las lombrices de tierra promueven la formación de agregados en el suelo excavando, buscando alimento, moviéndose y arrojando y, por lo tanto, aumentan el nivel de mineralización del suelo, mejoran la permeabilidad del suelo y aumentan la capacidad de retención de agua. El humus de lombriz también es rico en humus y nutrientes vegetales y un fertilizante orgánico libre de contaminación, sostenible y eficiente2,3,4. A nivel microscópico, las lombrices de tierra pueden cambiar la riqueza y diversidad de la comunidad microbiana, acelerando así la utilización de materia orgánica, y también tienen la capacidad de absorber y enriquecerse con metales pesados5,6. Las lombrices de tierra y el entorno que las rodea también se conocen colectivamente como el "círculo de contacto de las lombrices de tierra". Cuando las lombrices de tierra están activas en un "círculo de contacto con las lombrices de tierra", liberan una mucosidad de color amarillo claro con un olor acre de su epidermis, que es una barrera protectora natural de las lombrices de tierra. Además, esta mucosidad contiene proteínas, aminoácidos, carbohidratos y otras sustancias que son esenciales para el crecimiento, desarrollo, reproducción y resistencia de las lombrices de tierra7,8,9.

Los estudios han demostrado que el moco de las lombrices de tierra contiene células inmunitarias, péptidos antimicrobianos, proteínas antimicrobianas y hemaglutinación que actúan en un papel fagocítico, brindan resistencia contra las bacterias y protegen a las lombrices de los patógenos10; El moco también contiene compuestos como proteínas insecticidas, antifúngicas y antivirales y fitohormonas que inhiben el crecimiento de patógenos de plantas, como Fusarium oxysporum y Candida albicans, mejorando así la germinación de las semillas y promoviendo el potencial de crecimiento de las plantas10,11. La mucosidad de las lombrices de tierra también es particularmente útil para el suelo y las plantas en crecimiento. Los aminoácidos en el moco son un fertilizante líquido de fácil absorción que proporciona abundantes nutrientes a las plantas, promueve el crecimiento y la tolerancia al Cd de las plántulas de tomate, aumenta la acumulación de Cd en las plantas y también mejora la actividad microbiana en el sustrato, aumentando así el enriquecimiento microbiano por 3,4–11 veces4,5,12. Bityutskii et al.13 encontraron que el moco puede impulsar y acelerar el nivel de mineralización y humificación de los residuos vegetales, lo que resulta en fuertes cambios cualitativos en la composición del humus. De manera similar, Pan et al.14 encontraron que el moco contiene ligandos que complejan de manera efectiva los contaminantes orgánicos, alteran la distribución de los contaminantes orgánicos en el suelo, mejoran la biodisponibilidad de los contaminantes y promueven la biorremediación. Sizmur et al.15 también encontraron que la mucosidad tenía un efecto significativo en el transporte y la morfología del arsénico, un metal pesado, en suelos contaminados.

Por lo tanto, el moco puede tener funciones ecológicas importantes en la estabilización de la materia orgánica, la sucesión de la comunidad microbiana, la regulación de metales pesados, la germinación de semillas, la prevalencia de plagas y enfermedades de las plantas, el crecimiento de las plantas y la remediación del suelo. Actualmente, los métodos de extracción de moco son complejos y variados, incluyendo métodos naturales, agua destilada, agitación, estimulación térmica, agua estéril, arena de cuarzo y estimulación eléctrica, entre los cuales la arena de cuarzo6 y los métodos de estimulación eléctrica16 son ampliamente utilizados en la investigación científica experimental debido a su facilidad de extracción y alta eficiencia de recolección. Sin embargo, las propiedades fisicoquímicas del moco pueden cambiar entre los métodos de extracción7,11,17. Previamente, Sizmur et al.15 utilizaron el método de la arena de cuarzo para extraer moco producido por lombrices de tierra a diferentes densidades y encontraron cambios significativos en las propiedades fisicoquímicas del moco, pero pocos estudios detallados han reportado las características de los cambios en las propiedades del moco producidos por la estimulación lombrices de tierra con diferentes voltajes y corrientes. Por lo tanto, el objetivo de la presente investigación fue investigar los patrones de variación de las propiedades del moco de las lombrices de tierra bajo diferentes tratamientos de estimulación eléctrica, y determinar los componentes del moco y los grupos de tratamientos de estimulación eléctrica aplicables a la remediación de la contaminación por metales pesados del suelo y la reutilización de lodos, a fin de proporcionar un referencia de datos básicos para estudios ecológicos posteriores sobre la aplicación de mocos para la remediación de suelos contaminados y la recuperación de recursos de lodos, por ejemplo.

En este experimento, basado en la extracción de moco de lombriz sin sangre u otro líquido contaminado después de la estimulación eléctrica de lombrices de 5 V y 6 V por Kobayashi et al.18, Aja et al.16 y AIlegretta et al.19, el actual se refinó y se extrajo moco de lombriz después de aplicar métodos combinados de bajo voltaje (5 V, 6 V) y baja corriente (10, 20, 30 mA). Investigamos (1) los cambios en los factores fisicoquímicos y los elementos nutritivos del moco de las lombrices bajo diferentes estímulos eléctricos, (2) los cambios en los grupos funcionales orgánicos y el contenido de aminoácidos, (3) las correlaciones entre los niveles de moco de los factores fisicoquímicos, los elementos nutritivos y los aminoácidos , (4) cambios en los contenidos de oligoelementos, (5) análisis de componentes principales de factores y (6) los objetivos de investigación más apropiados para la producción de moco bajo diferentes configuraciones de voltaje y corriente.

Todos los procedimientos experimentales descritos en este estudio se realizaron de acuerdo con la Guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio y cumplieron con las pautas ARRIVE. Las lombrices de tierra (Eisenia foetida) se compraron en un centro de cría de lombrices en Jurong, provincia de Jiangsu, China. Las lombrices compradas se aclimataron al laboratorio durante 7 días y luego se sometieron a extracción de moco. Se seleccionaron lombrices de tierra adultas con fuerte actividad física y bandas anulares obvias y que pesaban 0,35–0,5 g, se enjuagaron con agua destilada y se colocaron en una caja de defecación durante 24 h en la oscuridad, después de lo cual se enjuagaron y secaron nuevamente. Las lombrices de tierra se dividieron en seis grupos de 300 gy se estimularon eléctricamente a 5 V (10, 20, 30 mA) y 6 V (10, 20, 30 mA) usando una fuente de alimentación de CC ajustable para inducir la secreción de moco de lombriz. Se realizaron tres estimulaciones eléctricas de 60 s separadas por intervalos de 60 s en cada uno de los seis grupos de tratamiento. Estas operaciones se repitieron tres veces para cada grupo de tratamiento y se utilizaron un total de 5400 g de lombrices. Las lombrices de tierra sobrevivieron a las descargas eléctricas y fueron devueltas a la incubadora de lombrices de laboratorio para su posterior crianza. La cantidad de moco obtenido de cada grupo que recibió estimulación eléctrica fue de aproximadamente 25 a 30 g. La mucosidad recolectada se centrifugó a 5031 xg durante 10 min para obtener un sobrenadante puro de mucosidad de lombriz sin componentes celulares, el cual se almacenó en un congelador a -20 °C para su posterior determinación.

Tanto el pH como la conductividad eléctrica (CE) se determinaron con un medidor de acidez de mesa y un medidor de conductividad de mesa utilizando el método descrito por Nadana et al.11. El nitrógeno total (TN) y el fósforo total (PT) se determinaron por el método combinado de persulfato de potasio alcalino20, y el potasio total (TK) se determinó por digestión con ácido perclórico-ácido fluorhídrico7. Las fracciones de aminoácidos se determinaron con base en los métodos descritos en el Estándar Nacional de la República Popular China para la Determinación de Aminoácidos en Alimentos (GB 5009.124-2016)21 de la siguiente manera. Primero, se mezclaron 5 mL de moco con 5 g de ácido clorhídrico 6 mol/L. Luego, el tubo se enjuagó con nitrógeno durante 15 min con un aparato de soplado de nitrógeno seco (LICHEN, LC-DCY-12G), se selló y se colocó en un horno a 110 °C durante 22–24 h. La solución resultante se enfrió y se volumen a 100 mL con agua ultrapura. Luego, 2 mL de la solución fijada se desacidificaron en el aparato de soplado de nitrógeno hasta sequedad y se disolvieron con 2 mL de solución tampón de citrato de sodio (pH d). La solución se disolvió, agitó, mezcló y luego pasó a través de una columna de filtro de 0,22 μm para la determinación de ácido aspártico (Asp), treonina (Thr), serina (Ser), ácido glutámico (Glu), glicina (Gly), alanina (Ala), cisteína (Cys), valina (Val), metionina (Met), isoleucina (Ile), leucina (Leu), tirosina (Tyr), fenilalanina (Phe), histidina (His), lisina (Lys), arginina (Arg) y prolina (Pro) utilizando un analizador de aminoácidos Hitachi (Hitachi L-8900).

Utilizando el método de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) descrito por Aja et al.16, se liofilizaron 5 g de moco de lombriz en un liofilizador al vacío (LGJ-18S, Shanghai Yuming Instrument Equipment Co, LTD., Shanghai, China). ) a -50 °C. Después de 48 h, las muestras de moco seco se retiraron, se mezclaron con bromuro de potasio de reactivo garantizado en un mortero de ágata y se molieron en escamas transparentes uniformes con una prensa de tabletas de 100 MPa, y se colocaron en un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (Nicolet IS50, Thermo Fisher, Waltham, MA, EE. UU.) con un número de escaneos establecido en 65 y un rango espectral de 400–4000 cm−1, y los datos se registraron con una resolución de 4 cm−1. El contenido de agua de la mucosidad de las lombrices también se determinó mediante el método de liofilización en un liofilizador al vacío (LGJ-18S, Shanghai Yuming Instrument Equipment Co, LTD., Shanghai, China)14. El contenido de agua del moco producido por estimulación eléctrica de 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA y 6 V 30 mA fue del 98,9 %, 98,7 %, 98,8 %, 99,2 % , 98,9% y 98,7%, respectivamente.

Los elementos traza metálicos se analizaron utilizando el método descrito por Chen et al.22. Primero, se mezclaron en un crisol 0,5 mL de moco y 8 mL de ácido nítrico concentrado, se calentó lentamente y se evaporó a 1 mL en una placa eléctrica con un gradiente de 140 °C, 160 °C y 180 °C, y luego filtrado a través de una membrana microporosa después del enfriamiento. Posteriormente, se añadió agua ultrapura a la muestra para llevar el volumen a 25 ml y se utilizó ICP-MS (NexION300X, PerkinElmer, Wellesley, EE. UU.) para analizar los siguientes elementos traza: Al, Mg, Fe, Cu, Cr, Zn . Mn, Ni, Pb y K. Se analizaron los estándares nacionales para el control de calidad durante el análisis y las pruebas, incluidas muestras duplicadas y reactivos en blanco, y las recuperaciones de muestras y las desviaciones estándar relativas fueron inferiores al 10 %, lo que cumplió con los requisitos experimentales.

El procesamiento de datos se realizó utilizando Excel 2021 (Microsoft Corp., Redmond, WA, EE. UU.) y SPSS24 (IBM Corp., Armonk, NY, EE. UU.) para los cálculos de media y desviación estándar. Se utilizaron análisis de varianza de factor único (ANOVA) y comparaciones múltiples (LSD) para analizar factores fisicoquímicos, elementos nutricionales y elementos de metales traza en moco bajo diferentes condiciones de estimulación eléctrica con significación determinada en niveles de 0,05 y 0,01, y análisis infrarrojo de transformada de Fourier, el análisis de correlación, el análisis de componentes principales y los gráficos convencionales se realizaron utilizando ORIGIN2021 (OriginLab, Northampton, MA, EE. UU.).

El moco contiene electrolitos, como potasio e iones de calcio y magnesio multivalentes, que participan en la osmorregulación del cuerpo de la lombriz para mantener el equilibrio metabólico del organismo7,23. Cuando las lombrices se someten a diferentes estímulos, la composición de la mucosidad cambia10. Como se muestra en la Fig. 1a, las lombrices de tierra produjeron moco con diferencias significativas (P < 0,05) en el pH y la CE entre los seis estímulos eléctricos diferentes. El pH de la mucosidad exhibió consistentemente una alcalinidad débil (7,50 < pH < 8,00) y alcanzó un valor máximo de 7,85 a 5 V 10 mA. El pH de la mucosidad también mostró una tendencia a disminuir en diferentes grados a medida que aumentaba el voltaje y la corriente, y la disminución fue significativa para la mayoría de los estímulos (P < 0.05, excepto para 6 V 20 mA que no fue significativo), y un valor mínimo de 7.54 ocurrió a 5 V 30 mA. Sin embargo, el valor de EC del moco inducido por diferentes estímulos eléctricos varió más. EC difirió significativamente entre todos los grupos (P < 0.05), y la variación a 6 V fue más obvia que a 5 V. Además, los valores máximo y mínimo aparecieron a 6 V, y los valores de EC de 6 V 10 mA y 6 V 20 mA fueron 1,5–2 veces más altas que las de otros tratamientos (5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 30 mA). Por lo tanto, diferentes estímulos eléctricos indujeron efectos claramente diferentes en la CE del moco.

Cambios en factores fisicoquímicos y elementos nutrientes en moco de lombriz inducidos por diferentes estímulos eléctricos. 5.10, 5.20, 5.30, 6.10, 6.20, 6.30 indican 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA y 6 V 30 mA, respectivamente; Los datos se presentan como la media ± SD para tres duplicados, n = 3. Para probar la diferencia significativa entre los diferentes grupos de tratamiento, se utilizó el análisis de varianza (ANOVA) de una vía. Letras minúsculas diferentes indican diferencias significativas del mismo índice bajo diferentes estímulos eléctricos (P < 0,05); EC conductividad eléctrica, TN nitrógeno total, TP fósforo total, TK potasio total.

La estimulación externa de las células cambia la distribución de sustancias y el potencial de la superficie de la membrana celular, lo que afecta la permeabilidad de la membrana y altera el pH24,25. Como la mucosidad es producida por las células glandulares columnares más externas y las células de la luz somática en la epidermis de la lombriz de tierra10, tanto el pH como la CE cambiaron cuando se estimularon eléctricamente a diferentes intensidades. Cuando la intensidad de la estimulación eléctrica aumentó, la permeabilidad de la membrana celular aumentó gradualmente, promoviendo la secreción de pequeños ácidos orgánicos intracelulares, NH4+ y otros ácidos, lo que resultó en una disminución gradual del pH12,26. El cambio en la permeabilidad de la membrana también aumentó la liberación de sales inorgánicas, desechos metabólicos y minerales, y algunos minerales también se convirtieron en formas solubles en forma de ionización electrolítica27, cambiando la EC de la mucosidad de tal manera que aumentó con el voltaje, lo que resultó en un CE más alta a 6 V. La CE del moco disminuyó abruptamente a 6 V 30 mA. En este punto, la estimulación probablemente no destruyó la integridad de la membrana celular y la lombriz de tierra secretó moco mientras reducía el flujo de material para responder al estrés de una estimulación eléctrica más fuerte y mantener la homeostasis de los fluidos corporales.

La mucosidad contiene nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas, como N, P y K, por lo que es importante estudiar los cambios en el contenido de nutrientes de la mucosidad producida bajo diferentes estímulos eléctricos17. Como se muestra en la Fig. 1b, los contenidos de TN y TK fueron más bajos a 6 V 30 m A y 5 V 30 mA, respectivamente, niveles significativamente más bajos que los de los otros grupos de tratamiento (Nota: los otros grupos de tratamiento para el nitrógeno total fueron 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, y el potasio total fue de 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, 6 V 30 mA; P < 0.05), y no hubo diferencia significativa entre los cinco grupos restantes (Nota: Los otros grupos de tratamiento para nitrógeno total fueron 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, y el potasio total fue de 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, 6 V 30 mA; P > 0,05), con TN y TK mayores a 5 V y 6 V, respectivamente. La variación en TP entre estímulos eléctricos fue mayor, y los tratamientos de estímulos eléctricos se pueden clasificar en el siguiente orden descendente de contenido de TP: 5 V 30 mA, 5 V 20 mA, 6 V 30 mA, 6 V 20 mA, 6 V 10 mA, 5 V 10 mA. Aunque el contenido de TP más bajo apareció a 5 V, el contenido de TP fue generalmente más alto a un voltaje de 5 V.

El moco es relativamente rico en N, P y K. El moco N se deriva principalmente de sustancias como NH4+, urea, metabolitos de moléculas pequeñas, aminoácidos y proteínas26,28. Por el contrario, el moco P se deriva de microorganismos bacterianos y compuestos organofosforados7, mientras que el moco K se encuentra principalmente en el citoplasma y los electrolitos29,30. Bajo una estimulación de voltaje de 5 V, la superficie del cuerpo de la lombriz normalmente libera moco, que contiene varios nutrientes requeridos por las plantas. A medida que el voltaje aumentó a 6 V, la estimulación y la presión sobre la lombriz aumentaron, lo que indujo la liberación de más mucosidad, mientras que la lombriz también liberó más iones de potasio en la mucosidad para mantener el equilibrio de los iones de sodio y potasio en su fluido corporal. , lo que resulta en un mayor contenido de iones de potasio a 6 V31. Si bien la membrana celular permaneció intacta y activa durante todo el proceso, todavía era selectivamente permeable al material orgánico y no permitía el flujo excesivo de material orgánico hacia el moco32. Por lo tanto, el N y el P de las fracciones de materia orgánica fueron mayores a 5 V, mientras que los iones de sal inorgánica K fueron mayores a 6 V.

Los espectros FTIR pueden reflejar la estructura química y los grupos funcionales de las sustancias orgánicas; por lo tanto, los espectros infrarrojos del moco de lombriz de tierra producido bajo diferentes combinaciones de voltaje y corriente muestran que los picos de absorción de todos los grupos de moco aparecieron en 3432 cm−1, 2965–2873 cm−1, 1647 cm−1, 1575 cm−1, 1408 cm−1, 1315 cm−1, 1085–1045 cm−1 y 769–540 cm−1 (Fig. 2). Además, entre tratamientos, las formas de onda y las crestas fueron muy similares, mientras que la intensidad de las crestas cambió significativamente. Los picos de absorción en 3432 cm-1 corresponden a carbohidratos y proteínas, mientras que los de 2965-2873 cm-1 corresponden a ácidos grasos sometidos principalmente a vibraciones de estiramiento antisimétricas de C-H3 y C-H. Los picos en 1647 cm-1 corresponden a C = O, unión por estiramiento, flexión N-H y vibraciones de ángulo variable CH de las bandas de amida I y los picos de absorción de polisacáridos, mientras que el pico que aparece en 1575 cm-1 es probablemente las bandas de amida II de C- Estiramiento N y flexión N-H. El pico en 1408 cm−1 se puede atribuir al estiramiento asimétrico C–O, las vibraciones de flexión O–H y el estiramiento simétrico de COO– de los grupos carboxilo, mientras que las vibraciones de estiramiento C–O y las vibraciones de flexión planas O–H de éteres, fenoles y los ésteres aparecerían en 1315 cm−1. El pico ancho en 1085–1045 cm−1 corresponde principalmente a los grupos funcionales C–O–C y C–H–O de alcoholes y polisacáridos y vibraciones de estiramiento H–C–H, y flexión O–C–N, fuera de La flexión en el plano C = O de la amida IV y la flexión N-H fuera del plano de la amida V aparecen en 769–540 cm−17,16,33,34. Por lo tanto, está claro que la mucosidad de lombriz en este experimento consistió principalmente en proteínas, carbohidratos, ácidos grasos y polisacáridos y contiene pequeñas cantidades de sustancias orgánicas como alcoholes, fenoles y ésteres. Por lo tanto, los espectros de absorción de proteínas y carbohidratos dominan sustancialmente, lo que también es consistente con los resultados de Guhra et al.7.

Cambios en el grupo funcional de la espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR) en el moco de las lombrices de tierra bajo diferentes estímulos eléctricos. 5.10, 5.20, 5.30, 6.10, 6.20, 6.30 indican 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA y 6 V 30 mA, respectivamente.

De las seis bandas en el rango espectral de 400–4000 cm−1, 3432 cm−1, 1647 cm−1 y 1575 cm−1 fueron las tres bandas de absorción más dominantes, que representan proteínas solubles en agua y bandas de amida I y II. , respectivamente. Además, 9 de los 20 aminoácidos que constituyen las proteínas mostraron fuerte absorbancia correspondiente a las bandas amida I y II, por lo que las bandas amida I y II también podrían reflejar el contenido de aminoácidos16,35. La absorbancia de 5 V 10 mA, 6 V 10 mA y 6 V 30 mA en esta banda estaba en un nivel más alto en la Fig. 2, lo que indica un alto contenido de proteínas y aminoácidos, seguida por 5 V 20 mA en el medio. y finalmente 5 V 20 mA y 6 V 20 mA con las longitudes de onda de absorción más bajas. Así, se encontró que el contenido de proteínas y aminoácidos del moco producido bajo diferentes estímulos eléctricos cambió significativamente, probablemente debido a la presencia de proteínas de defensa en la lombriz, que secretan aminoácidos con funciones inmunológicas para responder al estrés agudo después de diferentes estímulos36 ,37.

Para explicar mejor el mecanismo de los cambios de aminoácidos de proteínas en el moco bajo diferentes estímulos eléctricos, se hidrolizaron las proteínas en el moco y se analizaron los cambios en el contenido total de 17 aminoácidos en el moco12. Como se muestra en la Tabla 1, el ácido glutámico, la alanina, el ácido aspártico, la prolina y la leucina fueron los componentes más dominantes de los 17 aminoácidos observados (44,6–47,4 %), siendo el ácido glutámico el más abundante con un 13,2–14,3 %, mientras que la cistina representó solo el 0,3-0,4% de todos los aminoácidos y fue el menos abundante en el moco. Bajo los seis estímulos eléctricos, la gran mayoría de los aminoácidos alcanzó los niveles más altos y más bajos en el moco a 5 V 10 mA y 5 V 20 mA, respectivamente, con concentraciones totales de 4,3 y 3,6 mg/g, mientras que el contenido de aminoácidos en los grupos de tratamiento de 6 V cambió más moderadamente, sin grandes fluctuaciones a 5 V. Los estímulos se pueden clasificar en orden descendente de su contenido de aminoácidos de la siguiente manera: 5 V 10 mA, 6 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, 5 V 30 mA, 5 V 20 mA. Entre todos los aminoácidos, excepto alanina, cistina y arginina, el contenido de aminoácidos de la mucosidad de 5 V 10 mA fue mayor que el contenido de aminoácidos de otros grupos de tratamiento. Entre ellos, el contenido de glicina, fenilalanina, treonina, prolina y tirosina a 5 V 20 mA disminuyó a un ritmo mayor en comparación con 5 V 10 mA, en un 32,4 %, 28,4 %, 28,0 %, 26,4 % y 26,1 %, respectivamente. . En comparación, la alanina y la cistina alcanzaron un máximo a 5 V 30 mA, con una elevación de 13,8 % y 16,0 % en comparación con 5 V 10 mA, y la arginina a 6 V 30 mA alcanzó un valor máximo, que fue un 8,4 % superior a 5 V 10 mA.

Entre los nueve aminoácidos que corresponden a las bandas amida I y II, este moco contiene siete, a saber, ácido glutámico, ácido aspártico, lisina, fenilalanina, tirosina, arginina e histidina16, que representan del 47,3% al 48,8% del aminoácido total. contenido, que también es consistente con la Fig. 2. El ácido glutámico es el neurotransmisor excitatorio más abundante en el sistema nervioso central y puede estabilizar el sistema nervioso central38, y el ácido aspártico desempeña funciones importantes relacionadas con el desarrollo del sistema nervioso y la regulación hormonal39. Además, la lisina tiene una función protectora contra el estrés frente a estímulos externos40. En consecuencia, el contenido de estos tres aminoácidos es alto en el moco. El moco de lombriz también mostró cambios en las fracciones de aminoácidos bajo estimulación. Por ejemplo, la exposición de las lombrices de tierra a Cu produjo histidina41, que tenía un mecanismo de desintoxicación, y la exposición a pesticidas provoca aumentos significativos de isoleucina, alanina y glutamato42, que también pueden usarse como indicadores en las pruebas de exposición a lombrices de tierra43. Así, cuando las lombrices son estimuladas eléctricamente, se protegen cambiando el ambiente humoral a través de respuestas de estrés. Por ejemplo, el ácido aspártico tiene un efecto protector sobre el miocardio, y la estimulación eléctrica puede cambiar su secreción para mantener el equilibrio electrolítico del miocardio del animal y, por lo tanto, la función miocárdica39. Además, el glutamato afecta el sistema nervioso central de las lombrices de tierra bajo estimulación eléctrica y, de hecho, su secreción cambió. Las lombrices de tierra también producen proteínas de defensa para protegerse del daño, y también hay 16 aminoácidos presentes en las cinco proteínas de defensa de las lombrices de tierra identificadas por Roch et al.44; estas proteínas de defensa también están presentes en el moco para proteger a la lombriz. Por lo tanto, está claro que las lombrices de tierra producen diferentes aminoácidos para regular la homeostasis en el cuerpo cuando se las somete a diferentes estímulos eléctricos, lo que permite que la lombriz de tierra se proteja del daño de una manera rentable. Entre las seis combinaciones de voltaje-corriente examinadas, 5 V 10 mA estimularon menos a las lombrices de tierra e indujeron los niveles más abundantes de aminoácidos.

Los factores fisicoquímicos, los elementos nutritivos y los aminoácidos en la mucosidad son cruciales para el crecimiento de las plantas, la mineralización de la materia orgánica, la remediación del suelo y la estabilización del compost de lodos y se encuentran entre los criterios actuales para evaluar el desempeño de la mucosidad. Por lo tanto, es importante realizar análisis de correlación para explorar la conexión intrínseca entre diferentes corrientes de voltaje5,7,12,16. Como se muestra en la Fig. 3, hubo correlaciones negativas significativas de pH con TP (P < 0,05), CE con Ala (P < 0,01), TP con Leu y Pro (P < 0,05) y pH con Met (P < 0,05 ) en varias combinaciones de voltaje y corriente, mientras que las correlaciones entre los niveles de aminoácidos variaron más de cerca. Los contenidos de los 10 aminoácidos Asp, Thr, Ser, Gly, Val, Ile, Leu, Phe, Lys y Pro mostraron correlaciones positivas significativas entre sí (P ≤ 0,05, excepto Ile, Ser, Leu, Phe, Lys ), y los niveles de Glu, Tyr y His también mostraron correlaciones positivas significativas entre sí (P ≤ 0.05). Sin embargo, los niveles de Ala, Cys, Met y Arg no se correlacionaron significativamente entre sí ni con los de otros aminoácidos (P > 0,05). De hecho, es probable que las correlaciones positivas entre los niveles de aminoácidos indiquen orígenes comunes45. Con base en los datos de la Tabla 1, se encontró además que Asp, Thr, Ser, Gly, Val, Ile, Leu, Phe, Lys y Pro mostraron la misma tendencia, y Glu, Tyr y His mostraron casi la misma tendencia. . Por lo tanto, Asp, Thr, Ser, Gly, Val, Ile, Leu, Phe, Lys y Pro parecen tener el mismo origen en la producción de moco en varias combinaciones de voltaje y corriente, y Glu, Tyr y His se originaron de manera similar a partir de las mismas condiciones de origen.

Correlaciones entre los contenidos de sustancias en la mucosidad de las lombrices bajo diferentes estímulos eléctricos. El rojo y el azul indican correlaciones positivas y negativas significativas, respectivamente; cuanto más oscuro es el color rojo o azul, mayor es el valor absoluto del coeficiente de correlación; ** significa que la correlación es significativa al nivel 0,01, * significa que la correlación es significativa al nivel 0,05.

Como se muestra en la Fig. 4, se identificaron los siguientes nueve elementos de metales traza en el moco producido bajo diferentes estímulos eléctricos en el siguiente orden descendente de contenido: Al, Mg, Fe, Cu, Cr, Zn, Mn, Ni y Pb. Entre estos oligoelementos, sus contenidos fueron 652,6–1159,8 μg/g, 392,4–697,8 μg/g, 36,4–64,7 μg/g, 29,7–47,9 μg/g, 12,7–22,7 μg/g, 8,8–17,3 μg/g, 4,7 a 9,3 μg/g, 1,3 a 2,9 μg/g y 0,14 a 0,25 μg/g, respectivamente. El contenido de Al y Mg es mucho más alto que los otros elementos metálicos. En la mucosidad producida por las lombrices bajo diferentes estímulos eléctricos, el contenido más bajo de todos los elementos metálicos se presentó a 5 V 10 mA, excepto Cu a 6 V 20 mA. Entre ellos, los contenidos de Al, Mg, Fe, Cr, Zn, Mn, Ni y Pb se redujeron significativamente a 5 V 10 mA en comparación con otros grupos de tratamiento en un 22,6–77,7 %, 22,5–77,8 %, 17,3–77,8 % , 32,3–79,0 %, 46,9–96,7 %, 46,1–97,1 %, 78,1–114,4 % y 36,4–79,4 % (Nota: los otros grupos de tratamiento fueron 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, 6 V 30 mA, respectivamente, P < 0,05). Además, el contenido de Cu a 6 V 30 mA fue significativamente menor que los otros grupos de tratamiento, 25,5 %-61,2 % (Nota: los otros grupos de tratamiento fueron 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 30 mA, respectivamente, P < 0,05). El análisis de las tendencias de los nueve elementos metálicos reveló que las diferencias en los contenidos de Al, Mg, Fe, Cu, Zn y Mn entre las diferentes combinaciones de tensión-corriente eran casi las mismas, y todos sus contenidos podían clasificarse en el mismo orden descendente. pedir según tratamiento: 5 V 20 mA, 6 V 30 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA, 5 V 10 mA (excepto Cu a 5 V 10 mA y Zn a 6 V 20 mA) . Hubo diferencias significativas en los niveles de metales traza entre estos tratamientos (P < 0.05), mientras que Cr, Ni y Pb mostraron tendencias similares en su cambio, pero diferencias no significativas (P < 0.05) entre múltiples tratamientos con estímulos eléctricos y, por lo tanto, menor variabilidad. en el nivel de elementos metálicos.

Diferencias en oligoelementos en moco de lombriz entre estímulos eléctricos. 5.10, 5.20, 5.30, 6.10, 6.20, 6.30 indican 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA y 6 V 30 mA, respectivamente. Los datos se presentan como la media ± SD para tres duplicados, n = 3. Para probar la diferencia significativa entre los diferentes grupos de tratamiento, se utilizó el análisis de varianza (ANOVA) de una vía. Letras minúsculas diferentes indican diferencias significativas del mismo índice bajo diferentes estímulos eléctricos (P < 0,05).

Las lombrices de tierra, como ingenieros ecológicos en los ecosistemas del suelo, pueden bioacumularse y utilizar diferentes elementos metálicos y, por lo tanto, el contenido de elementos metálicos de su cuerpo también depende de su entorno46. Por ejemplo, Song et al.47 encontraron que los contenidos de Cu, Zn y Pb de las lombrices de tierra que vivían en un sustrato mixto de estiércol de cerdo y residuos de hongos aumentaron significativamente, mientras que Zhang et al.48 encontraron que las lombrices de tierra que vivían en suelos con altos niveles de La contaminación por Cu, Cd, Pb y Zn también presentaban contenidos elevados de metales en sus cuerpos. Por el contrario, las lombrices de tierra del presente experimento vivían en un sustrato mixto de estiércol de vaca fermentado y lodo, y a medida que las lombrices crecían y se reproducían, los elementos metálicos del sustrato se acumulaban continuamente en sus cuerpos, lo que afectaba el contenido de elementos metálicos en la mucosidad. Los contenidos de Al y Mg fueron mayores, probablemente debido al sustrato, y posiblemente porque el Al y el Mg tienen funciones biológicas importantes49. Después de que las lombrices recibieron diferentes estímulos eléctricos, el contenido de cada elemento metálico en el moco producido cambió en cierta medida, probablemente porque los mecanismos de transporte de elementos metálicos dentro y fuera de la célula cambiaron, como el potencial de membrana de la superficie de la membrana celular, el osmótico presión dentro y fuera de las células, y las propias proteínas de transporte49. Al mismo tiempo, las células también tienen sensores que regulan el almacenamiento de iones metálicos para diferenciarlos, y así, la regulación de los iones metálicos cambió cuando cambió la estimulación eléctrica50, lo que alteró también la liberación de iones metálicos.

Para aclarar aún más los efectos de diferentes combinaciones de voltaje y corriente sobre los factores fisicoquímicos, nutrientes, aminoácidos y oligoelementos en el moco producido, se realizó un análisis de componentes principales (PCA) (Fig. 5). Con base en el PCA, se observó una contribución de varianza acumulada de 77,57 % para los dos componentes principales, con el primer y segundo componente principal (PC1 y PC 2 respectivamente) representando el 63,8 % y el 13,8 % de la varianza. Como se muestra en la Fig. 5, 5 V 10 mA y 6 V 30 mA tuvieron efectos positivos significativos en cada factor en las direcciones PC1 y PC2, respectivamente, y 5 V 20 mA y 6 V 20 mA tuvieron efectos negativos significativos en cada factor en las direcciones PC1 y PC2, respectivamente; por lo tanto, está claro que tanto 5 V 10 mA como 6 V 30 mA y 5 V 20 mA y 6 V 20 mA son los principales grupos de estimulación eléctrica que afectan niveles altos y bajos de varios factores en fracciones de moco, respectivamente. Además, se determinó la carga factorial de los dos componentes principales de cada factor para aclarar aún más la contribución de cada factor a los dos componentes principales, lo que reveló que los elementos metálicos y la mayoría de los aminoácidos tenían los efectos negativos y positivos más significativos en PC1, respectivamente. . De manera similar, los factores pH, EC, TK, TP y TK y los factores Glu, Ala, Tyr, His y Arg tuvieron los efectos negativos y positivos más significativos en PC2. La Figura 5 también muestra tres agregaciones de fracciones de moco producidas por diferentes estímulos eléctricos. Por lo tanto, pH, EC, TK, TK y Met se agregaron más densamente en un grupo, los elementos traza y TP se agregaron en otro grupo, y la mayoría de los aminoácidos se agregaron en el tercer grupo. Esto muestra que el moco extraído después de la estimulación con 5 V 10 mA fue rico en aminoácidos y bajo en elementos metálicos, el moco extraído después de la estimulación con 5 V 20 mA fue rico en elementos metálicos y bajo en aminoácidos, mientras que el moco extraído después la estimulación con 6 V 20 mA fue más rica en factores fisicoquímicos y elementos nutritivos, con mayores niveles promedio de aminoácidos y elementos metálicos.

Análisis de componentes principales de cada factor en moco de lombriz inducido por diferentes estímulos eléctricos. 5.10, 5.20, 5.30, 6.10, 6.20, 6.30 indican 5 V 10 mA, 5 V 20 mA, 5 V 30 mA, 6 V 10 mA, 6 V 20 mA y 6 V 30 mA, respectivamente; EC conductividad eléctrica, TN nitrógeno total, TP fósforo total, TK potasio total.

Del análisis anterior, está claro que los factores fisicoquímicos, los elementos nutritivos, los aminoácidos y los oligoelementos en el moco de las lombrices de tierra inducido por seis combinaciones diferentes de voltaje y corriente diferían significativamente; por lo tanto, el objeto de estudio para la aplicación de moco de lombriz puede cambiar con la composición. Como se muestra en la Tabla 2, que se basa en parte en estudios previos sobre la mucosidad de las lombrices, está claro que la mucosidad que puede tener un impacto ecológico importante en el suelo, el compost y las plantas debe tener las siguientes características específicas: pH neutro, EC baja, y contenido de proteasa de aminoácidos exógenos para promover la germinación de semillas de plantas, alto contenido de proteínas de aminoácidos para promover el crecimiento de las plantas como fertilizante líquido, la capacidad de adsorber minerales arcillosos y complejos de metales pesados. Los altos contenidos de nutrientes no solo pueden promover el crecimiento de las plantas, sino también promover la mineralización y la humificación del suelo, al tiempo que pasivan los metales pesados. El contenido de micronutrientes de la mucosidad obtenida está en el rango disponible para las plantas, lo que puede reponer mejor los micronutrientes requeridos por las plantas y tiene un efecto puente sobre la combinación de materia orgánica y minerales en el sustrato.

Con base en el presente estudio, podemos concluir tentativamente y proponer que el moco producido bajo diferentes estímulos eléctricos se puede aplicar a diferentes sujetos de estudio. Los estímulos de 5 V 10 mA, 6 V 10 mA y 6 V 20 mA pueden generar moco que se utilizará para pruebas de compostaje de lodos y paja, pruebas de remediación y enmienda de suelos, y la mineralización y humificación de residuos orgánicos debido a su alto contenido de aminoácidos. alto contenido de nutrientes y bajo contenido de oligoelementos. En las mismas condiciones, se seleccionó como grupo experimental moco de 5 V 10 mA con el contenido de aminoácidos más alto y los elementos traza más bajos. El moco inducido por la estimulación de 5 V 30 mA tuvo el pH más neutro, el contenido de iones de potasio y EC más bajos, los niveles más altos de aminoácidos y los niveles moderados de oligoelementos, lo que indica que puede usarse para pruebas de germinación de semillas. El moco inducido por 6 V 30 mA tenía un alto contenido de nutrientes, aminoácidos y oligoelementos esenciales para las plantas, lo que lo hacía particularmente adecuado para las pruebas de crecimiento y desarrollo de las plantas. A diferencia del moco estimulado por 5 V 20 mA, que contiene niveles más bajos de aminoácidos pero es más rico en nutrientes y oligoelementos, se puede utilizar para fertilizar plantas desprovistas de oligoelementos y para mejorar las pruebas de estructura de aglomerados del suelo.

La mucosidad de lombriz inducida por diferentes estímulos eléctricos contenía sustancias orgánicas como aminoácidos, proteínas, ácidos grasos, polisacáridos, alcoholes, fenoles y ésteres, así como diversos oligoelementos. En el moco producido bajo seis combinaciones diferentes de voltaje y corriente, se produjeron cambios en el pH, EC, TN, TP, TK, aminoácidos y oligoelementos probablemente debido a diferencias en la presión osmótica celular, cambios en el potencial de membrana, bombas de sodio y potasio y respuestas de protección contra el estrés del organismo. El análisis de correlación de las propiedades fisicoquímicas y el contenido de aminoácidos también reveló que Asp, Thr, Ser, Gly, Val, Ile, Leu, Phe, Lys y Pro tenían la misma fuente en el moco, ya que variaban juntos bajo diferentes estímulos eléctricos. mientras que Glu, Tyr y His se originaron de manera similar a partir del mismo mecanismo de origen. Finalmente, se concluyó tentativamente con base en PCA y estudios previos que el moco producido a 5 V 10 mA era adecuado para experimentos de compostaje de lodos y paja, experimentos de remediación y enmienda de suelos, y mineralización y humificación de residuos orgánicos, mientras que el moco inducido a 5 V 20 mA se consideró adecuado para la fertilización de plantas privadas de micronutrientes y experimentos de estructura de agregados del suelo. Además, se determinó que el moco de 5 V 30 mA era adecuado para los experimentos de germinación de semillas, y se determinó que el moco de 6 V 30 mA era adecuado para las pruebas de crecimiento y desarrollo de plantas.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores agradecen el apoyo financiero del Proyecto de Investigación y Desarrollo Científico y Tecnológico de Huaibei Mining Group en 2022 y el apoyo de Anhui Kaiyuan Landscaping Engineering Co., Ltd.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51878004; 51978001; 42102204; 32001159) y el Proyecto Clave "Reciclaje de Residuos Sólidos" del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo (2020YFC1908601). Este trabajo también fue apoyado por el Programa clave de investigación y desarrollo de la provincia de Anhui (202104a06020027) y la Fundación de apertura del Laboratorio de ingeniería de la provincia de Anhui para la utilización integral de los recursos hídricos y del suelo y la protección ecológica en el área de minería de aguas subterráneas altas (2022-WSREPMA-04). También nos gustaría agradecer el programa de investigación del Programa de innovación de sinergia universitaria de la provincia de Anhui (GXXT-2020-075), Proyecto del Laboratorio estatal clave de seguridad y salud para minas de metal (2020-JSKSSYS-02), Programa de apoyo clave para Excelentes talentos en las universidades de la provincia de Anhui (gxyqZD2021129), Proyecto clave de la Universidad de ciencia y tecnología de Anhui, Instituto de investigación de Wuhu de la Universidad de ciencia y tecnología de Anhui (ALW2020YF08), Fundación de investigación doctoral de la Universidad Normal de Huainan (Bskyqdj2022) y Fondo de investigación doctoral de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Anhui (13210571). Muchas gracias a la Fundación de Investigación del Grupo Minero Huaibei en 2021 y a la Fundación de Investigación del Grupo Minero Huainan en 2021.

Laboratorio de Ingeniería de la Provincia de Anhui para la Utilización Integral de Recursos Hídricos y Suelos y Protección Ecológica en el Área Minera de Aguas Subterráneas Altas, Escuela de Tierra y Medio Ambiente, Universidad de Ciencia y Tecnología de Anhui, Huainan, 232001, China

Huihui Huan, Xingming Wang, Xiaokun Yu, Tingyu Fan, Luntao Sun, Zhongbing Dong y Shijiao Zha

State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines, Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Company Limited, Maanshan, 243000, China

Xingming Wang y Gang Li

Centro de Innovación Colaborativa para la Recuperación y Reconstrucción de Ecosistemas Degradados en la Cuenca de Wanjiang Co-Fundado por la Provincia de Anhui y el Ministerio de Educación, Escuela de Ecología y Medio Ambiente, Universidad Normal de Anhui, Wuhu, 241002, China

Xingming Wang y Zhaoxia Chu

Laboratorio de Ingeniería de Utilización Integral y Protección Ecológica de los Recursos del Suelo y el Agua en el Área Minera de Alto Nivel de Buceo de la Provincia de Anhui, Huainan, 232001, China

Xingming Wang y fan de Tingyu

Instituto de Materiales Ecológicos y Salud Ocupacional, Universidad de Ciencia y Tecnología de Anhui (Wuhu), Wuhu, 241000, China

Xingming Wang y fan de Tingyu

Laboratorio Clave de Biorecursos y Biotecnología Ambiental de los Institutos de Educación Superior de Anhui, Escuela de Ingeniería Biológica, Universidad Normal de Huainan, Huainan, 232038, China

Zhaoxia Chu y Xiaoping Xu

Facultad de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad Politécnica de Anhui, Wuhu, 230009, China

Xiaoping-Xu

Departamento de Medicina Preventiva, Facultad de Medicina de Bengbu, Bengbu, 233033, China

Quan Zhen

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XW, ZC y XY concibieron la idea. HH, TF, GL y LS diseñaron y realizaron los experimentos. HH, XX y QZ analizaron los datos y prepararon figuras. HH, ZD y SZ analizaron los resultados y escribieron el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Xingming Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Huan, H., Wang, X., Chu, Z. et al. Cambios composicionales y características ecológicas del moco de lombriz bajo diferentes estímulos eléctricos. Informe científico 13, 2332 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29125-7

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Recibido: 08 Octubre 2022

Aceptado: 31 de enero de 2023

Publicado: 09 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29125-7

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