意想不到的营养来源刺激了伊利湖有毒藻类的生长

资料来源:ISME期刊(2024)。DOI: 10.1093 / ismejo / wrae082

气候变化，如变暖和降水模式的变化，影响了全球有害藻华(HABs)的频率和严重程度，包括可能污染饮用水的产毒蓝藻。

这些营养物引起的水华引起了全球公众和生态系统健康问题。伊利湖是五大湖中最浅、最温暖的湖泊，是1100万人的饮用水源。自20世纪90年代中期以来，伊利湖经历了由几种物种主导的季节性蓝藻繁殖。微囊藻是伊利湖中数量最多、毒性最强的藻类，被认为是蓝藻毒素的主要制造者。

为了更好地了解导致伊利湖赤潮的因素，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家和来自托莱多大学和密歇根大学的合作者研究了从伊利湖藻华中收集的几种微囊藻培养物的蓝藻毒素产生和微生物群落结构。

一个需要增加研究以更好地理解和最终预测HAB动态的领域是湖泊生态系统中的生物相互作用如何驱动水华形成和下降，以及这些相互作用在不同营养条件下如何变化。这就是该团队的目标，从实验室开始。

他们研究了在低无机营养条件下蓝藻微生物群在影响生长和蓝藻毒素产生方面的作用，以了解有机营养物质的微生物循环如何影响有害藻华。蓝藻有害藻华通常与过量的无机磷和氮输入有关(这两者都存在于肥料中)。磷已被广泛认为是淡水浮游植物生物量的主要贡献者。

“但氮现在正在成为这些生态系统中的限制性营养物质，特别是在藻华期间，它的可用性往往限制了蓝藻的生长，”LLNL科学家李伟说，他是发表在《ISME杂志》上的论文的主要作者。

“大多数研究都集中在无机形式的氮，如硝酸盐和铵，但有机分子在为赤潮提供燃料方面的作用尚未得到很好的表征。有机氮，包括氨基酸、蛋白质和尿素等化合物，可能是藻华氮的重要来源，但其动态和影响尚不清楚。这种知识上的差距阻碍了我们有效预测和管理赤潮的能力，因为有机氮源可能在维持这些水华方面发挥关键作用。”

在这项研究中，科学家们使用微生物组移植实验、蓝藻毒素分析和纳米级稳定同位素探测来测量单细胞分辨率下氮的掺入和交换。首先，他们发现可利用的有机氮类型塑造了与微囊藻相关的微生物群落，并且外部有机氮输入导致与无机氮产生相似水平的蓝藻毒素。

这表明，微生物群可以帮助蓝藻维持足够的氮水平，以制造富含氮的毒素分子。托莱多大学的化学教授Dragan Isailovic提供了蓝藻毒素分析方面的专业知识。

接下来，LLNL的科学家们在用氮、15种标记的氨基酸和蛋白质进行孵育后进行了单细胞氮吸收分析，发现一些细菌群落与微囊藻竞争有机氮，但其他群落促进了微囊藻对氮的吸收，可能是通过将有机氮修饰为藻类可以吸收的其他分子。

利用LLNL的纳米sims，一种复杂的质谱仪，研究小组能够确定有毒藻类或微生物组(或两者)是否能够吸收标记为氮的同位素。

“如果没有这个仪器，几乎不可能弄清楚这一点，因为微生物组和有毒藻类都粘在这些生物膜中，”LLNL科学家Xavier Mayali说，他是该研究的资深作者和首席研究员。

nanoSIMS能够从保存和干燥的样品中分离出蓝藻和较小的微生物组细胞的同位素信号。由合著者和LLNL工作人员科学家Ty Samo获得的活样本的三维显微镜显示，微囊藻与其微生物组之间存在密切联系。

密歇根大学的研究人员在合作项目中为实验和基因组分析做出了贡献，他们利用了从湖中分离出来并保存在实验室中的微囊藻培养物。

“我们真的刚刚开始了解微生物群如何影响蓝藻繁殖的生物学和毒性。这个项目使我们能够将纳米模拟、微生物学、基因组学和蓝藻毒素分析结合在一起，”密歇根大学助理研究科学家和合著者安德斯·基勒达尔说。

实验室培养数据表明，有机氮输入可能支持自然界微囊藻的繁殖和毒素产生，而微囊藻相关的微生物群落可能在这一过程中发挥关键作用。然而，这些假设需要直接在伊利湖进行测试，研究小组希望在未来这样做。

在去年秋天正式签订合作协议后，LLNL与托莱多大学建立了密切的联系。该协议要求两家机构交流科技理念，支持学生的机会和实习机会，并在太阳能和其他可再生能源技术、气候和环境科学、生物医学科学和氢等领域进行研究和开发。

托莱多大学负责创新和经济发展的副校长弗兰克·卡尔佐内蒂(Frank Calzonetti)说:“这个项目旨在更好地了解蓝藻菌微生物群在伊利湖和俄亥俄州西北部其他水道中有害藻华生长中的作用，这是托莱多大学与LLNL共同应对的众多关键科学和工程挑战之一。”“我们的科学家通过使用世界上最顶尖的研究设施之一而受益匪浅。”

托莱多大学的其他贡献者包括研究生Sanduni Premathilaka和Sharmila Thenuwara。LLNL的其他研究人员包括David Baliu-Rodriguez(托莱多大学的前研究生)，Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon和Peter Weber。