Uventet kilde til næringsstoffer fremmer væksten af ​​giftige alger fra Lake Erie

Klimaændringer, såsom opvarmning og ændringer i nedbørsmønstre, påvirker hyppigheden og sværhedsgraden af ​​skadelige algeopblomstringer (HAB'er) globalt, herunder toksinproducerende cyanobakterier, der kan forurene drikkevandet.

Disse næringsstof-inducerede opblomstringer forårsager verdensomspændende offentlige og økosystemers sundhedsproblemer. Siden midten af ​​1990'erne har Lake Erie, den laveste og varmeste af de store søer og en kilde til drikkevand for 11 millioner mennesker, oplevet sæsonbestemte cyanobakterielle opblomstringer domineret af flere arter. Microcystis, den mest udbredte og mest giftige, er anerkendt som den største producent af cyanotoksiner i Lake Erie.

I et forsøg på bedre at forstå de faktorer, der fører til HAB'er i Lake Erie, har Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) videnskabsmænd og samarbejdspartnere fra University of Toledo og University of Michigan undersøgt cyanotoksinproduktionen og mikrobiomsamfundsstrukturen i flere indsamlede Microcystis-kulturer fra algeopblomstring i Lake Erie.

Et område, der kræver stigende forskning for bedre at forstå og i sidste ende forudsige HAB-dynamikken, er, hvordan biologiske interaktioner i søens økosystemer driver opblomstring og tilbagegang, og hvordan disse interaktioner ændrer sig under forskellige næringsstofforhold. Det var, hvad holdet havde til formål at gøre, begyndende i laboratoriet.

De undersøgte det cyanobakterielle mikrobioms rolle i at påvirke vækst og cyanotoksinproduktion under lave uorganiske næringsstoffer for at forstå, hvordan mikrobiel cyklus af organiske næringsstoffer kan påvirke HAB'er. Cyanobakterielle HAB'er er normalt forbundet med overdreven uorganisk fosfor- og nitrogentilførsel (som begge findes i gødning). Fosfor er blevet bredt anerkendt som en vigtig bidragyder til fytoplanktonbiomasse i ferskvand.

"Men nitrogen dukker nu op som et begrænsende næringsstof i disse økosystemer, især under algeopblomstring, hvor dets tilgængelighed ofte begrænser væksten af ​​cyanobakterier," sagde LLNL videnskabsmand Wei Li, hovedforfatter af papiret, der vises i The ISME Journal .

"De fleste undersøgelser har fokuseret på uorganiske former for nitrogen såsom nitrat og ammonium, men organiske molekylers rolle i at brænde HAB'er er ikke velkarakteriseret. Organisk nitrogen, som omfatter forbindelser som aminosyrer, proteiner og urinstof, kan være en væsentlig kilde. af nitrogen til algeopblomstring, men dens dynamik og virkning er mindre velforstået. Denne videnskløft forhindrer vores evne til at forudsige og håndtere HAB'er effektivt, da organiske nitrogenkilder kan spille en afgørende rolle i at opretholde disse opblomstringer."

I undersøgelsen brugte videnskabsmænd mikrobiomtransplantationseksperimenter, cyanotoksinanalyse og stabil isotopprobing i nanometerskala til at måle nitrogeninkorporering og -udveksling ved enkeltcelleopløsning. For det første fandt de ud af, at typen af ​​tilgængeligt organisk nitrogen formede det mikrobielle samfund forbundet med Microcystis, og at eksternt organisk nitrogentilførsel førte til tilsvarende niveauer af cyanotoksin produceret som med uorganisk nitrogen.

Dette antydede, at mikrobiomet kunne hjælpe med at opretholde nok nitrogenniveauer til, at cyanobakterierne kunne lave de nitrogenrige toksinmolekyler. Dragan Isailovic, professor i kemi ved University of Toledo, leverede ekspertisen i cyanotoksinanalyse.