El cambio climático, como el calentamiento y los cambios en los patrones de precipitación, afecta la frecuencia y gravedad de la proliferación de algas nocivas (FAN) a nivel mundial, incluidas las de cianobacterias productoras de toxinas que pueden contaminar el agua potable.
Estas floraciones inducidas por nutrientes causan preocupaciones sobre la salud pública y de los ecosistemas en todo el mundo. Desde mediados de la década de 1990, el lago Erie, el más somero y cálido de los Grandes Lagos y fuente de agua potable para 11 millones de personas, ha experimentado floraciones estacionales de cianobacterias dominadas por varias especies. Microcystis, el más abundante y tóxico, es reconocido como el principal productor de cianotoxinas en el lago Erie.
En un esfuerzo por comprender mejor los factores que conducen a las FAN en el lago Erie, los científicos y colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de la Universidad de Toledo y la Universidad de Michigan han investigado la producción de cianotoxinas y la estructura de la comunidad de microbiomas de varios cultivos de Microcystis recolectados. de la proliferación de algas en el lago Erie.
Un área que requiere una mayor investigación para comprender mejor y, en última instancia, predecir la dinámica de las FAN es cómo las interacciones biológicas en los ecosistemas lacustres impulsan la formación y la disminución de las floraciones y cómo estas interacciones cambian bajo diferentes condiciones de nutrientes. Eso es lo que el equipo pretendía hacer, empezando en el laboratorio.
Examinaron el papel del microbioma cianobacteriano en el impacto del crecimiento y la producción de cianotoxinas en condiciones bajas de nutrientes inorgánicos para comprender cómo el ciclo microbiano de los nutrientes orgánicos puede afectar las FAN. Las FAN cianobacterianas suelen estar relacionadas con un aporte excesivo de fósforo y nitrógeno inorgánicos (ambos se encuentran en los fertilizantes). El fósforo ha sido ampliamente reconocido como un importante contribuyente a la biomasa de fitoplancton en agua dulce.
"Pero el nitrógeno está emergiendo ahora como un nutriente limitante en estos ecosistemas, especialmente durante la proliferación de algas, donde su disponibilidad a menudo restringe el crecimiento de cianobacterias", dijo el científico de LLNL Wei Li, autor principal del artículo que aparece en The ISME Journal .
"La mayoría de los estudios se han centrado en formas inorgánicas de nitrógeno como el nitrato y el amonio, pero el papel de las moléculas orgánicas en el suministro de combustible a las FAN no está bien caracterizado. El nitrógeno orgánico, que incluye compuestos como aminoácidos, proteínas y urea, podría ser una fuente importante de nitrógeno para la proliferación de algas, pero su dinámica e impacto se comprenden menos. Esta brecha en el conocimiento impide nuestra capacidad de predecir y gestionar las FAN de manera efectiva, ya que las fuentes de nitrógeno orgánico podrían desempeñar un papel fundamental en el mantenimiento de estas floraciones".
En el estudio, los científicos utilizaron experimentos de trasplante de microbioma, análisis de cianotoxinas y sondas de isótopos estables a escala nanométrica para medir la incorporación y el intercambio de nitrógeno con resolución unicelular. En primer lugar, descubrieron que el tipo de nitrógeno orgánico disponible moldeaba la comunidad microbiana asociada con Microcystis, y que el aporte externo de nitrógeno orgánico conducía a niveles similares de producción de cianotoxina a los del nitrógeno inorgánico.
Esto sugirió que el microbioma podría ayudar a mantener suficientes niveles de nitrógeno para que las cianobacterias produzcan moléculas de toxinas ricas en nitrógeno. Dragan Isailovic, profesor de química de la Universidad de Toledo, aportó su experiencia en el análisis de cianotoxinas.
A continuación, los científicos de LLNL realizaron un análisis de incorporación de nitrógeno unicelular después de realizar incubaciones con nitrógeno, 15 aminoácidos marcados y proteínas que revelaron que algunas comunidades bacterianas competían con Microcystis por el nitrógeno orgánico, pero otras comunidades promovían una mayor absorción de nitrógeno por parte de Microcystis, probablemente a través de la modificación de el nitrógeno orgánico a otras moléculas que las algas podrían incorporar.
Utilizando el nanoSIMS de LLNL, un complejo espectrómetro de masas, el equipo pudo determinar si las algas tóxicas o el microbioma (o ambos) podían incorporar el nitrógeno marcado con isótopos.
"Sin este instrumento, sería casi imposible resolver esto porque el microbioma y las algas tóxicas están todos pegados en estas biopelículas", dijo el científico del LLNL Xavier Mayali, autor principal e investigador principal del estudio.
El nanoSIMS permitió separar la señal isotópica de las cianobacterias y las células del microbioma más pequeñas de muestras que habían sido conservadas y secas. La microscopía adicional de muestras vivas en tres dimensiones, obtenida por el coautor y científico del personal de LLNL, Ty Samo, reveló las estrechas asociaciones entre Microcystis y su microbioma.
Los investigadores de la Universidad de Michigan contribuyeron a los experimentos y análisis genómicos del proyecto colaborativo, aprovechando una colección de cultivos de Microcystis que aislaron del lago y mantuvieron en el laboratorio.
"Realmente apenas estamos comenzando a comprender cómo el microbioma afecta la biología y la toxicidad de las floraciones de cianobacterias. Este proyecto nos permitió reunir nanoSIMS, microbiología, genómica y análisis de cianotoxinas", dijo el científico investigador asistente y coautor de la Universidad de Michigan, Anders Kiledal. .
Los datos de cultivo de laboratorio mostraron que el aporte de nitrógeno orgánico podría potencialmente favorecer la proliferación de Microcystis y la producción de toxinas en la naturaleza, y las comunidades microbianas asociadas a Microcystis probablemente desempeñen papeles críticos en este proceso. Sin embargo, estas hipótesis requerirán pruebas directamente en el lago Erie, algo que el equipo espera hacer en el futuro.
LLNL tiene estrechos vínculos con la Universidad de Toledo tras formalizar un acuerdo de colaboración el pasado otoño. El acuerdo exige que las instituciones intercambien ideas de ciencia y tecnología, apoyen oportunidades y pasantías para estudiantes y realicen investigación y desarrollo en áreas como energía solar y otras tecnologías de energía renovable, ciencias climáticas y ambientales, ciencias biomédicas e hidrógeno.
"Este proyecto para obtener una mejor comprensión del papel del microbioma cianobacteriano en el crecimiento de la proliferación de algas nocivas en el lago Erie y otras vías fluviales en el noroeste de Ohio es uno de varios desafíos críticos de ciencia e ingeniería que la Universidad de Toledo está abordando con LLNL. ", dijo Frank Calzonetti, vicepresidente de innovación y desarrollo económico de la Universidad de Toledo. "Nuestros científicos se están beneficiando enormemente gracias a nuestro acceso a una de las mejores instalaciones de investigación del mundo".
Otros contribuyentes de la Universidad de Toledo incluyen a los estudiantes de posgrado Sanduni Premathilaka y Sharmila Thenuwara. Otros investigadores de LLNL incluyen a David Baliu-Rodríguez (un ex estudiante de posgrado en la Universidad de Toledo), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon y Peter Weber.
