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.
Dernæst gennemførte LLNL-forskere enkeltcellet nitrogeninkorporeringsanalyse efter at have udført inkubationer med nitrogen, 15 mærkede aminosyrer og protein, der afslørede, at nogle bakteriesamfund konkurrerede med Microcystis om organisk nitrogen, men andre samfund fremmede øget nitrogenoptagelse af Microcystis, sandsynligvis gennem modifikation af det organiske nitrogen til andre molekyler, som algerne kunne inkorporere.
Ved hjælp af LLNL's nanoSIMS, et komplekst massespektrometer, var holdet i stand til at bestemme, om de giftige alger eller mikrobiomet (eller begge dele) var i stand til at inkorporere isotopmærket nitrogen.
"Uden dette instrument ville det være næsten umuligt at finde ud af dette, fordi mikrobiomet og de giftige alger alle hænger sammen i disse biofilm," sagde LLNL-forsker Xavier Mayali, seniorforfatter og hovedforsker af undersøgelsen.
NanoSIMS muliggjorde adskillelse af isotopsignalet fra cyanobakterierne og de mindre mikrobiomeceller fra prøver, der var blevet konserveret og tørret. Yderligere mikroskopi af levende prøver i tre dimensioner, opnået af medforfatter og LLNL-medarbejder Ty Samo, afslørede de tætte forbindelser mellem Microcystis og dets mikrobiom.
Forskere ved University of Michigan bidrog til eksperimenter og genomisk analyse i samarbejdsprojektet og udnyttede en samling af Microcystis-kulturer, som de isolerede fra søen og vedligeholdt i laboratoriet.
"Vi er virkelig lige begyndt at forstå, hvordan mikrobiomet påvirker biologien og toksiciteten af cyanobakterielle opblomstringer. Dette projekt gjorde det muligt for os at samle nanoSIMS, mikrobiologi, genomik og cyanotoksinanalyse," siger assisterende forsker ved University of Michigan og medforfatter Anders Kiledal .
Laboratoriekulturdataene viste, at organisk nitrogeninput potentielt kunne understøtte Microcystis-opblomstring og toksinproduktion i naturen, og de Microcystis-associerede mikrobielle samfund spiller sandsynligvis en afgørende rolle i denne proces. Disse hypoteser vil dog kræve test direkte i Lake Erie, hvilket teamet håber at gøre i fremtiden.
LLNL har tætte bånd med University of Toledo efter at have formaliseret en samarbejdsaftale sidste efterår. Aftalen opfordrer institutionerne til at udveksle videnskabs- og teknologiideer, at støtte studerendes muligheder og praktikophold og at forfølge forskning og udvikling inden for områder som solenergi og andre vedvarende energiteknologier, klima- og miljøvidenskab, biomedicinske videnskaber og brint.
"Dette projekt for at få en bedre forståelse af rollen af det cynanobakterielle mikrobiom i væksten af skadelige algeopblomstringer i Lake Erie og andre vandveje i det nordvestlige Ohio er en af en række kritiske videnskabelige og tekniske udfordringer, som University of Toledo tackler med LLNL. ," sagde Frank Calzonetti, University of Toledo vicepræsident for innovation og økonomisk udvikling. "Vores forskere drager stor fordel af vores adgang til et af de bedste forskningsfaciliteter i verden."
Andre bidragydere fra University of Toledo omfatter kandidatstuderende Sanduni Premathilaka og Sharmila Thenuwara. Andre LLNL-forskere omfatter David Baliu-Rodriguez (en tidligere kandidatstuderende ved University of Toledo), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon og Peter Weber.
Flere oplysninger: Wei Li et al, Mikrobiombehandling af organisk nitrogentilførsel understøtter vækst og cyanotoksinproduktion af Microcystis aeruginosa-kulturer, The ISME Journal (2024). DOI:10.1093/ismejo/wrae082
Journaloplysninger: ISME Journal
Leveret af Lawrence Livermore National Laboratory
Varme artikler
-
Adfærdsvidenskabelige modeller kan hjælpe med at identificere de grønneste kostændringerKredit:CC0 Public Domain At udbrede evangeliet om diæter, der kun er grøntsager, er måske ikke den mest effektive måde at hjælpe med at reducere generelt, fødevarerelaterede drivhusgasemissioner, -
Antarktis:et laboratorium for klimaændringerCollins-gletsjeren på King George Island i Antarktis er trukket sig tilbage i de sidste 10 år og viser tegn på skrøbelighed For et årti siden, et tykt lag is dækkede Collins-gletsjeren på Antarkti -
2019 var det varmeste år nogensinde for RuslandMoskvas gennemsnitstemperatur for 2019 havde ramt 7,6-7,7 grader Celsius (45,7-45,9 grader Fahrenheit), slog den tidligere rekord med 0,3 grader I år var det hotteste nogensinde registreret i Rusl -
Unilever skal halvere brugen af ny plastShampoo kunne sælges i barer, eliminerer behovet for plastikflasker Den engelsk-hollandske kommercielle gigant Unilever sagde mandag, at de vil halvere brugen af ny plastik inden 2025. at indrøm
- Curiosity rover finder pletter af rockplade slettet, afslørende spor
- Sådan identificeres et hvidt egetræ
- Forventet forsuring af Great Barrier Reef kan opvejes med ti år
- Spatial-netværksmodellering kan tilbyde en ny vej til overvågning af politiske hotspots
- FN bekræfter Madrid som nyt sted for klimatopmøde
- NASA vil lancere en delikat opbevaring af OSIRIS-REx asteroideprøver