Неожиданный источник питательных веществ стимулирует рост токсичных водорослей в озере Эри
Изменение климата влияет на частоту и интенсивность вредоносных цветений водорослей (ВЦВ) по всему миру, включая цветения токсичных цианобактерий, которые могут загрязнять питьевую воду.
Озеро Эри, самое мелкое и теплое из Великих озер и источник питьевой воды для 11 миллионов человек, с середины 1990-х годов испытывает сезонные цветения цианобактерий. Наиболее распространенным и токсичным видом является Microcystis — основной продуцент цианотоксинов в озере.
Ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) совместно с коллегами из Университета Толедо и Мичиганского университета исследовали продукцию цианотоксинов и структуру микробиома в культурах Microcystis, собранных во время цветений в озере Эри. Цель — понять, как биологические взаимодействия в экосистеме влияют на формирование и спад ВЦВ при разных условиях доступности питательных веществ.
Органический азот как ключевой фактор
Цианобактериальные ВЦВ обычно связывают с избыточным поступлением неорганического фосфора и азота (содержащихся в удобрениях). Фосфор считается основным лимитирующим фактором биомассы фитопланктона в пресной воде.
«Но сейчас азот становится лимитирующим питательным веществом в этих экосистемах, особенно во время цветения водорослей, где его доступность часто ограничивает рост цианобактерий», — говорит ведущий автор статьи в The ISME Journal Вэй Ли из LLNL.
Большинство исследований сосредоточено на неорганических формах азота, таких как нитрат и аммоний. Однако роль органических молекул (аминокислот, белков, мочевины) в питании ВЦВ изучена плохо. Этот пробел в знаниях мешает эффективному прогнозированию и управлению ВЦВ.
Экспериментальные методы и результаты
В исследовании использовали:
- Эксперименты по трансплантации микробиома.
- Анализ цианотоксинов.
- Нанометровый масштабный анализ мечения стабильным изотопом (nanoSIMS) для измерения включения и обмена азота с разрешением на уровне одной клетки.
Ключевые выводы:
- Тип доступного органического азота формировал микробное сообщество, ассоциированное с Microcystis.
- Внесение органического азота приводило к такому же уровню продукции цианотоксинов, как и внесение неорганического азота. Это говорит о том, что микробиом может поддерживать достаточный уровень азота для синтеза цианобактериями богатых азотом токсичных молекул.
- Анализ включения азота на уровне одной клетки показал, что одни бактериальные сообщества конкурировали с Microcystis за органический азот, а другие — способствовали увеличению его поглощения водорослями, вероятно, модифицируя органический азот в доступные формы.
Роль передовых технологий
Прибор nanoSIMS (сложный масс-спектрометр) позволил определить, кто именно — токсичные водоросли или микробиом — включал меченый изотоп азота.
«Без этого прибора было бы почти невозможно это выяснить, потому что микробиом и токсичные водоросли все вместе находятся в этих биопленках», — отметил старший автор исследования Ксавье Майали из LLNL.
Дополнительная 3D-микроскопия живых образцов, проведенная Тай Сэмо из LLNL, визуализировала тесные ассоциации между Microcystis и его микробиомом.
Значение и перспективы
Данные лабораторных культур показали, что поступление органического азота может потенциально поддерживать цветение Microcystis и продукцию токсинов в природе, и ассоциированные микробные сообщества, вероятно, играют в этом процессе критическую роль.
«Мы только начинаем понимать, как микробиом влияет на биологию и токсичность цианобактериальных цветений. Этот проект позволил нам объединить nanoSIMS, микробиологию, геномику и анализ цианотоксинов», — сказал соавтор Андерс Киледал из Мичиганского университета.
Эти гипотезы требуют проверки непосредственно в озере Эри, что команда надеется сделать в будущем. Исследование является частью сотрудничества между LLNL и Университетом Толедо в области климатических и экологических наук.