Als het gaat om oesters en hun rol bij het verminderen van de vervuiling door nutriënten, een nieuwe studie door onderzoekers van het William &Mary's Virginia Institute of Marine Science komt precies tot de kern - en de schil - van de zaak.

De studie, in het nummer van 29 september van PLoS ONE , is de eerste die potentieel denitrificerende bacteriën in de oesterdarm en -schelp identificeert en kwantificeert, en de eerste die dit deed met behulp van een nieuw computerprogramma dat bacteriële activiteiten afleidt op basis van de sequenties van ribosomale RNA-genen.

Denitrificatie is het proces waarbij nitraat en nitriet - verbindingen die overbemesting van kustwateren voeden - worden gereduceerd tot stikstofgas, die onschadelijk is voor aquatische habitats. Overtollige stikstof van afvalwaterzuiveringsinstallaties, landbouwmeststoffen, en andere menselijke bronnen kunnen leiden tot zuurstofarme "dode zones, " verminderde visserijoogsten, en verlies van leefgebied voor zeegras. Chesapeake Bay is een van de vele ecosystemen wereldwijd die deze gevolgen hebben ondervonden.

Hoofdauteur van het onderzoek is Ann Arfken, een doctoraat student in het lab van VIMS Universitair Hoofddocent en co-auteur BK Song. Andere co-auteurs zijn Drs. Jeff Bowman van de Scripps Institution of Oceanography en Michael Piehler van de University of North Carolina.

"De meeste onderzoeken naar denitrificatie in verband met oesters hebben zich gericht op sedimenten in en rond oesterriffen, ", zegt Arfken. "Het onze is de eerste die het vermogen tot denitrificatie onderzoekt door microbiomen die in en op de oesters zelf leven." Een "microbioom" is de gemeenschap van microscopisch kleine organismen die elk levend wezen bewonen, van de mijten die tussen je wimpers leven tot de bacteriën die zich tussen tomatenwortels nestelen.

De resultaten van het onderzoek hebben belangrijke implicaties voor inspanningen om de nutriëntenniveaus in kustwateren te verlagen door middel van oesterherstel. "We ontdekten dat oesterschelpen unieke microbiële gemeenschappen bevatten met hogere denitrificatie-activiteiten dan sedimenten, ", zegt Song. "Het is dus mogelijk om voedingsstoffen te verminderen aan het begin van een oesterherstelproject, omdat schelpmicrobiomen actief vaste stikstof verwijderen."

Een financiële en logistieke uitdaging

Recent onderzoek toont aan dat microbiomen een sleutelrol spelen in de fysiologie en ecologie van een organisme, maar, zegt Lied, "Het onderzoeken van de koppeling tussen de genetische samenstelling en functies van een microbioom is al lang een uitdaging."

Die uitdaging is zowel financieel als logistiek. "Studies van de volledige genetische samenstelling van een organisme - het genoom - zijn erg duur, en werkt mogelijk niet voor monsters waar de bijdrage van microben laag is, ", zegt Song. "Als gevolg hiervan, veel studies zijn gebaseerd op amplicon-sequencing van ribosomale RNA-genen om microbiële taxa te identificeren." Deze benadering is minder duur, maar biedt beperkt inzicht in de metabole routes die verband houden met verschillende microbiomen - in dit geval of ze de genen bezitten die nodig zijn voor denitrificatie.

Om deze uitdagingen aan te gaan, het team gebruikte een nieuwe techniek ontwikkeld door Bowman. Met de naam "PAPRICA" - voor PAthway PREdiction by phylogenetic plAcement - kunnen onderzoekers metabole routes afleiden uit gensequenties die zijn geassocieerd met een kleine subeenheid van ribosoom genaamd 16S-rRNA.

"We hebben een op maat gemaakte genomische database gecombineerd met het PAPRICA-programma om bacteriën te identificeren die denitrificatiegenen dragen in de microbiomen die worden geassocieerd met oesterdarmen, schelpen, en rifsedimenten, " zegt Song. Hij legt uit, "Dit zou enigszins lijken op onderscheid maken tussen verschillende menselijke populaties door het aantal maagaandoeningen te vergelijken met het gen dat nodig is om melk te verteren."

Het onderzoeksteam heeft vervolgens de denitrificatiesnelheid gemeten in kamers met levende oesters, oesterschelpen, of sedimenten verzameld in de buurt van oesterriffen, het ontdekken van veel hogere tarieven in de kamers met levende oesters en schelpen. Toen ze deze snelheden vergeleken met de overvloed aan denitrificatiegenen in de drie microbiomen, ze zagen een sterke correlatie tussen hoge denitrificatiesnelheden en een gensequentie genaamd nosZI.

"We ontdekten dat bacteriën die nosZI-genen dragen belangrijke denitrificeerders zijn, en stikstofverwijdering in oesterriffen te vergemakkelijken, ’ zegt Arfken.

De onderzoekers waarschuwen, echter, dat er meer onderzoek nodig is. "We moeten voorzichtig zijn bij het afleiden van denitrificatie en andere metabolische processen uit de aanwezigheid van een gen in een bacterieel genoom, ", zegt Arfken. "Deze processen zijn vaak extreem complex, en vereisen de gecoördineerde expressie van verschillende genen. Bovendien, veel organismen kunnen een gen dragen maar het niet tot expressie brengen, " Een laatste uitdaging, ze zegt, is dat "veel bacteriën niet geclassificeerd blijven of genomen hebben geïdentificeerd die onvolledig of van lage kwaliteit zijn."

Maar de onderzoekers blijven optimistisch. "We zijn verheugd om meer studies voort te zetten om het gebruik van op genen gebaseerde metabole gevolgtrekkingen verder te valideren als een betrouwbare methode voor het beoordelen van het metabolische potentieel van microbiomen, " zegt Lied.