Wetenschap
Een onverwachte bron van voedingsstoffen stimuleert de groei van giftige algen uit Lake Erie
Klimaatverandering, zoals de opwarming van de aarde en veranderingen in neerslagpatronen, beïnvloedt wereldwijd de frequentie en ernst van schadelijke algenbloei (HAB's), inclusief die van toxineproducerende cyanobacteriën die drinkwater kunnen vervuilen.
Deze door voedingsstoffen veroorzaakte bloei veroorzaakt wereldwijde gezondheidsproblemen voor het publiek en het ecosysteem. Sinds het midden van de jaren negentig kent Lake Erie, het ondiepste en warmste van de Grote Meren en een bron van drinkwater voor 11 miljoen mensen, seizoensgebonden cyanobacteriënbloei die door verschillende soorten wordt gedomineerd. Microcystis, de meest voorkomende en meest giftige, wordt erkend als de belangrijkste producent van cyanotoxinen in Lake Erie.
In een poging om de factoren die leiden tot HAB's in Lake Erie beter te begrijpen, hebben wetenschappers en medewerkers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) van de Universiteit van Toledo en de Universiteit van Michigan de cyanotoxineproductie en de microbioomgemeenschapsstructuur van verschillende verzamelde Microcystis-culturen onderzocht. van algenbloei in Lake Erie.
Een gebied dat steeds meer onderzoek vereist om de HAB-dynamiek beter te begrijpen en uiteindelijk te voorspellen, is hoe biologische interacties in de ecosystemen van het meer de bloeivorming en -afname aandrijven en hoe deze interacties veranderen onder verschillende voedingsomstandigheden. Dat is wat het team wilde doen, te beginnen in het laboratorium.
Ze onderzochten de rol van het cyanobacteriële microbioom bij het beïnvloeden van de groei en de productie van cyanotoxinen onder lage anorganische voedingsstoffen om te begrijpen hoe de microbiële cycli van organische voedingsstoffen HAB's kunnen beïnvloeden. Cyanobacteriële HAB's zijn meestal gekoppeld aan een overmatige toevoer van anorganische fosfor en stikstof (die beide in kunstmest voorkomen). Fosfor wordt algemeen erkend als een belangrijke bijdrager aan de biomassa van fytoplankton in zoet water.
"Maar stikstof komt nu naar voren als een beperkende voedingsstof in deze ecosystemen, vooral tijdens algenbloei, waar de beschikbaarheid ervan vaak de groei van cyanobacteriën beperkt", zegt LLNL-wetenschapper Wei Li, hoofdauteur van het artikel dat verschijnt in The ISME Journal .
"De meeste onderzoeken hebben zich gericht op anorganische vormen van stikstof zoals nitraat en ammonium, maar de rol van organische moleculen bij het voeden van HAB's is niet goed gekarakteriseerd. Organische stikstof, waaronder verbindingen zoals aminozuren, eiwitten en ureum, zou een belangrijke bron kunnen zijn van stikstof voor algenbloei, maar de dynamiek en impact ervan zijn minder goed begrepen. Deze leemte in kennis verhindert ons vermogen om HAB's effectief te voorspellen en te beheren, aangezien organische stikstofbronnen een cruciale rol kunnen spelen bij het in stand houden van deze bloei."
In de studie gebruikten wetenschappers microbioomtransplantatie-experimenten, cyanotoxine-analyse en stabiele isotopenonderzoek op nanometerschaal om de opname en uitwisseling van stikstof met eencellige resolutie te meten. Ten eerste ontdekten ze dat het beschikbare type organische stikstof de microbiële gemeenschap geassocieerd met Microcystis vormde, en dat externe organische stikstofinvoer leidde tot vergelijkbare niveaus van cyanotoxine die werden geproduceerd als bij anorganische stikstof.
Dit suggereerde dat het microbioom zou kunnen helpen voldoende stikstofniveaus op peil te houden zodat de cyanobacteriën de stikstofrijke toxinemoleculen kunnen maken. Dragan Isailovic, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Toledo, leverde de expertise op het gebied van cyanotoxine-analyse.
Vervolgens voerden LLNL-wetenschappers een eencellige stikstofopnameanalyse uit na incubaties met stikstof, 15 gelabelde aminozuren en eiwitten. Hieruit bleek dat sommige bacteriële gemeenschappen met Microcystis concurreerden om organische stikstof, maar andere gemeenschappen bevorderden een verhoogde stikstofopname door Microcystis, waarschijnlijk door modificatie van de stikstofopname. de organische stikstof naar andere moleculen die de algen zouden kunnen opnemen.
Met behulp van de nanoSIMS van LLNL, een complexe massaspectrometer, kon het team bepalen of de giftige algen of het microbioom (of beide) in staat waren de isotoop-gelabelde stikstof op te nemen.
"Zonder dit instrument zou het vrijwel onmogelijk zijn om dit te achterhalen, omdat het microbioom en de giftige algen allemaal aan elkaar vastzitten in deze biofilms", zegt LLNL-wetenschapper Xavier Mayali, senior auteur en hoofdonderzoeker van het onderzoek.
De nanoSIMS maakten de scheiding mogelijk van het isotoopsignaal van de cyanobacteriën en de kleinere microbioomcellen uit monsters die waren geconserveerd en gedroogd. Aanvullende microscopie van levende monsters in drie dimensies, verkregen door co-auteur en LLNL-stafwetenschapper Ty Samo, onthulde de nauwe associaties tussen Microcystis en zijn microbioom.
Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben bijgedragen aan experimenten en genomische analyses in het samenwerkingsproject, waarbij ze gebruik hebben gemaakt van een verzameling Microcystis-culturen die ze uit het meer hebben geïsoleerd en in het laboratorium hebben bewaard.
"We beginnen nog maar net te begrijpen hoe het microbioom de biologie en toxiciteit van cyanobacteriënbloei beïnvloedt. Dit project stelde ons in staat nanoSIMS, microbiologie, genomica en cyanotoxine-analyse samen te brengen", zegt assistent-onderzoeker en co-auteur van de Universiteit van Michigan, Anders Kiledal. .
Uit de gegevens van de laboratoriumcultuur bleek dat de input van organische stikstof mogelijk de bloei van Microcystis en de productie van toxines in de natuur zou kunnen ondersteunen, en dat de Microcystis-geassocieerde microbiële gemeenschappen waarschijnlijk een cruciale rol spelen in dit proces. Deze hypothesen zullen echter rechtstreeks in Lake Erie moeten worden getest, wat het team in de toekomst hoopt te doen.
LLNL heeft nauwe banden met de Universiteit van Toledo na het formaliseren van een samenwerkingsovereenkomst afgelopen najaar. De overeenkomst roept de instellingen op om wetenschappelijke en technologische ideeën uit te wisselen, studentenkansen en stages te ondersteunen en onderzoek en ontwikkeling na te streven op gebieden als zonne-energie en andere hernieuwbare energietechnologieën, klimaat- en milieuwetenschappen, biomedische wetenschappen en waterstof.
"Dit project om een beter inzicht te krijgen in de rol van het cynanobacteriële microbioom in de groei van schadelijke algenbloei in Lake Erie en andere waterwegen in Noordwest-Ohio is een van een aantal kritische wetenschappelijke en technische uitdagingen die de Universiteit van Toledo aanpakt met LLNL ”, zegt Frank Calzonetti, vice-president voor innovatie en economische ontwikkeling van de Universiteit van Toledo. "Onze wetenschappers profiteren enorm van onze toegang tot een van de beste onderzoeksfaciliteiten ter wereld."
Andere bijdragen van de Universiteit van Toledo zijn onder meer afgestudeerde studenten Sanduni Premathilaka en Sharmila Thenuwara. Andere LLNL-onderzoekers zijn onder meer David Baliu-Rodriguez (een voormalig afgestudeerde student aan de Universiteit van Toledo), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon en Peter Weber.