Klimatförändringar, såsom uppvärmning och förändringar i nederbördsmönster, påverkar frekvensen och svårighetsgraden av skadliga algblomningar (HAB) globalt, inklusive de från toxinproducerande cyanobakterier som kan förorena dricksvattnet.
Dessa näringsinducerade blomningar orsakar globala hälsoproblem för allmänheten och ekosystemen. Sedan mitten av 1990-talet har Lake Erie, den grundaste och varmaste av de stora sjöarna och en källa till dricksvatten för 11 miljoner människor, upplevt säsongsbetonade cyanobakterieblomningar dominerade av flera arter. Microcystis, den vanligaste och mest giftiga, är erkänd som den största producenten av cyanotoxiner i Lake Erie.
I ett försök att bättre förstå de faktorer som leder till HABs i Lake Erie, har Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och medarbetare från University of Toledo och University of Michigan undersökt cyanotoxinproduktionen och mikrobiomsamhällets struktur i flera Microcystis-kulturer som samlats in. från algblomning i Lake Erie.
Ett område som kräver ökad forskning för att bättre förstå och i slutändan förutsäga HAB-dynamik är hur biologiska interaktioner i sjöns ekosystem driver blombildning och avtagande och hur dessa interaktioner förändras under olika näringsförhållanden. Det var vad laget hade som mål att göra, med början i laboratoriet.
De undersökte rollen av den cyanobakteriella mikrobiomet i att påverka tillväxt och cyanotoxinproduktion under låga oorganiska näringsämnen för att förstå hur mikrobiell cykling av organiska näringsämnen kan påverka HABs. Cyanobakteriella HAB är vanligtvis kopplade till överdriven mängd oorganisk fosfor och kväve (som båda finns i gödselmedel). Fosfor har blivit allmänt erkänt som en viktig bidragsgivare till växtplanktonbiomassa i sötvatten.
"Men kväve dyker nu upp som ett begränsande näringsämne i dessa ekosystem, särskilt under algblomning, där dess tillgänglighet ofta begränsar tillväxten av cyanobakterier", säger LLNL-forskaren Wei Li, huvudförfattare till artikeln som visas i The ISME Journal .
"De flesta studier har fokuserat på oorganiska former av kväve som nitrat och ammonium, men organiska molekylers roll för att driva HAB är inte välkarakteriserad. Organiskt kväve, som inkluderar föreningar som aminosyror, proteiner och urea, kan vara en viktig källa av kväve för algblomning, men dess dynamik och påverkan är mindre välkända. Denna kunskapslucka förhindrar vår förmåga att förutsäga och hantera HAB effektivt, eftersom organiska kvävekällor kan spela en avgörande roll för att upprätthålla dessa blomningar."
I studien använde forskare mikrobiomtransplantationsexperiment, cyanotoxinanalys och stabil isotopundersökning i nanometerskala för att mäta kväveinkorporering och utbyte vid encellsupplösning. Först fann de att typen av tillgängligt organiskt kväve formade det mikrobiella samhället som associerades med Microcystis, och att extern organisk kvävetillförsel ledde till liknande nivåer av cyanotoxin som producerades som med oorganiskt kväve.
Detta antydde att mikrobiomet kunde hjälpa till att upprätthålla tillräckligt med kvävenivåer för cyanobakterierna att göra de kväverika toxinmolekylerna. Dragan Isailovic, professor i kemi vid University of Toledo, tillhandahöll expertis inom cyanotoxinanalys.
Därefter genomförde LLNL-forskare analys av encellig kväveinkorporering efter att ha gjort inkubationer med kväve, 15 märkta aminosyror och protein som avslöjade att vissa bakteriesamhällen konkurrerade med Microcystis om organiskt kväve, men andra samhällen främjade ökat kväveupptag av Microcystis, troligen genom modifiering av det organiska kvävet till andra molekyler som algerna skulle kunna inkorporera.
Med hjälp av LLNL:s nanoSIMS, en komplex masspektrometer, kunde teamet avgöra om de giftiga algerna eller mikrobiomen (eller båda) kunde införliva det isotopmärkta kvävet.
"Utan det här instrumentet skulle det vara nästan omöjligt att ta reda på detta eftersom mikrobiomet och de giftiga algerna alla sitter ihop i dessa biofilmer", säger LLNL-forskaren Xavier Mayali, senior författare och huvudutredare av studien.
NanoSIMS möjliggjorde separation av isotopsignalen från cyanobakterierna och de mindre mikrobiomecellerna från prover som hade konserverats och torkats. Ytterligare mikroskopi av levande prover i tre dimensioner, erhållen av medförfattaren och LLNL-personalforskaren Ty Samo, avslöjade de nära sambanden mellan Microcystis och dess mikrobiom.
Forskare vid University of Michigan bidrog till experiment och genomisk analys i samarbetsprojektet och utnyttjade en samling Microcystis-kulturer som de isolerade från sjön och underhållna i laboratoriet.
"Vi har verkligen precis börjat förstå hur mikrobiomet påverkar biologin och toxiciteten hos cyanobakteriella blomningar. Detta projekt gjorde det möjligt för oss att sammanföra nanoSIMS, mikrobiologi, genomik och cyanotoxinanalys", säger assisterande forskare vid University of Michigan och medförfattare Anders Kiledal .
Laboratorieodlingsdata visade att organisk kvävetillförsel potentiellt skulle kunna stödja Microcystis-blomningar och toxinproduktion i naturen, och de Microcystis-associerade mikrobiella samhällena spelar sannolikt en avgörande roll i denna process. Dessa hypoteser kommer dock att kräva testning direkt i Lake Erie, vilket teamet hoppas kunna göra i framtiden.
LLNL har nära band med University of Toledo efter att ha formaliserat ett samarbetsavtal i höstas. Avtalet uppmanar institutionerna att utbyta idéer om vetenskap och teknik, att stödja studentmöjligheter och praktikplatser och att bedriva forskning och utveckling inom områden som solenergi och annan förnybar energiteknik, klimat- och miljövetenskap, biomedicinsk vetenskap och väte.
"Detta projekt för att få en bättre förståelse för rollen av det cynanobakteriella mikrobiomet i tillväxten av skadliga algblomningar i Lake Erie och andra vattendrag i nordvästra Ohio är en av ett antal kritiska vetenskaps- och ingenjörsutmaningar som University of Toledo tacklar med LLNL ", sa Frank Calzonetti, University of Toledo vicepresident för innovation och ekonomisk utveckling. "Våra forskare drar stor nytta av vår tillgång till en av de bästa forskningsanläggningarna i världen."
Andra bidragsgivare från University of Toledo inkluderar doktorander Sanduni Premathilaka och Sharmila Thenuwara. Andra LLNL-forskare inkluderar David Baliu-Rodriguez (fd doktorand vid University of Toledo), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon och Peter Weber.
