Queste fioriture indotte dai nutrienti causano preoccupazioni per la salute pubblica e degli ecosistemi in tutto il mondo. Dalla metà degli anni ’90, il Lago Erie, il più superficiale e caldo dei Grandi Laghi e fonte di acqua potabile per 11 milioni di persone, ha registrato fioriture stagionali di cianobatteri dominate da diverse specie. La microcystis, la più abbondante e la più tossica, è riconosciuta come il principale produttore di cianotossine nel Lago Erie.

Nel tentativo di comprendere meglio i fattori che portano agli HAB nel Lago Erie, scienziati e collaboratori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dell'Università di Toledo e dell'Università del Michigan hanno studiato la produzione di cianotossine e la struttura della comunità del microbioma di diverse colture di Microcystis raccolte dalle fioriture algali nel lago Erie.

Un’area che richiede una crescente ricerca per comprendere meglio e, in ultima analisi, prevedere le dinamiche dell’HAB è il modo in cui le interazioni biologiche negli ecosistemi lacustri guidano la formazione e il declino della fioritura e come queste interazioni cambiano in diverse condizioni di nutrienti. Questo è ciò che il team intendeva fare, iniziando dal laboratorio.

Hanno esaminato il ruolo del microbioma cianobatterico nell’influenzare la crescita e la produzione di cianotossine in presenza di nutrienti inorganici a basso contenuto, per comprendere come il ciclo microbico dei nutrienti organici possa avere un impatto sugli HAB. Gli HAB cianobatterici sono solitamente collegati a un eccessivo apporto di fosforo inorganico e azoto (entrambi presenti nei fertilizzanti). Il fosforo è stato ampiamente riconosciuto come uno dei principali contributori alla biomassa fitoplanctonica nell'acqua dolce.

"Ma l'azoto sta ora emergendo come nutriente limitante in questi ecosistemi, soprattutto durante la fioritura algale, dove la sua disponibilità spesso limita la crescita dei cianobatteri", ha affermato lo scienziato della LLNL Wei Li, autore principale dell'articolo apparso su The ISME Journal .

"La maggior parte degli studi si è concentrata sulle forme inorganiche di azoto come nitrato e ammonio, ma il ruolo delle molecole organiche nell'alimentazione degli HAB non è ben caratterizzato. L'azoto organico, che comprende composti come aminoacidi, proteine ​​e urea, potrebbe essere una fonte significativa di azoto per la proliferazione algale, ma le sue dinamiche e il suo impatto sono meno compresi. Questa lacuna nella conoscenza impedisce la nostra capacità di prevedere e gestire le HAB in modo efficace, poiché le fonti di azoto organico potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nel sostenere queste proliferazioni."

Nello studio, gli scienziati hanno utilizzato esperimenti di trapianto di microbioma, analisi di cianotossine e sondaggi di isotopi stabili su scala nanometrica per misurare l'incorporazione e lo scambio di azoto alla risoluzione di una singola cellula. In primo luogo, hanno scoperto che il tipo di azoto organico disponibile modellava la comunità microbica associata a Microcystis e che l'apporto di azoto organico esterno portava a livelli di cianotossina prodotti simili a quelli dell'azoto inorganico.

Ciò ha suggerito che il microbioma potrebbe aiutare a mantenere livelli di azoto sufficienti affinché i cianobatteri possano produrre molecole di tossine ricche di azoto. Dragan Isailovic, professore di chimica all'Università di Toledo, ha fornito la sua esperienza nell'analisi delle cianotossine.

Successivamente, gli scienziati della LLNL hanno condotto l'analisi dell'incorporazione dell'azoto in singole cellule dopo aver effettuato incubazioni con azoto, 15 amminoacidi marcati e proteine, rivelando che alcune comunità batteriche competevano con Microcystis per l'azoto organico, ma altre comunità promuovevano un aumento dell'assorbimento di azoto da parte di Microcystis, probabilmente attraverso la modificazione dell'azoto organico. l'azoto organico ad altre molecole che le alghe potrebbero incorporare.

Utilizzando il nanoSIMS di LLNL, uno spettrometro di massa complesso, il team è stato in grado di determinare se le alghe tossiche o il microbioma (o entrambi) erano in grado di incorporare l'azoto marcato con l'isotopo.

"Senza questo strumento, sarebbe quasi impossibile capirlo perché il microbioma e le alghe tossiche sono tutti attaccati insieme in questi biofilm", ha affermato lo scienziato della LLNL Xavier Mayali, autore senior e ricercatore principale dello studio.

I nanoSIMS hanno consentito la separazione del segnale isotopico dei cianobatteri e delle cellule del microbioma più piccole da campioni che erano stati conservati ed essiccati. Un'ulteriore microscopia di campioni vivi in ​​tre dimensioni, ottenuta dal coautore e scienziato dello staff LLNL Ty Samo, ha rivelato le strette associazioni tra Microcystis e il suo microbioma.

I ricercatori dell'Università del Michigan hanno contribuito agli esperimenti e all'analisi genomica del progetto collaborativo, sfruttando una raccolta di colture di Microcystis isolate dal lago e conservate in laboratorio.

"Stiamo davvero appena iniziando a capire in che modo il microbioma influenza la biologia e la tossicità delle fioriture di cianobatteri. Questo progetto ci ha permesso di riunire nanoSIMS, microbiologia, genomica e analisi delle cianotossine", ha affermato Anders Kiledal, assistente ricercatore e coautore dell'Università del Michigan. .

I dati delle colture di laboratorio hanno mostrato che l’apporto di azoto organico potrebbe potenzialmente supportare la proliferazione di Microcystis e la produzione di tossine in natura, e le comunità microbiche associate a Microcystis probabilmente svolgono un ruolo fondamentale in questo processo. Tuttavia, queste ipotesi richiederanno test direttamente sul Lago Erie, cosa che il team spera di fare in futuro.

LLNL ha stretti legami con l'Università di Toledo dopo aver formalizzato un accordo di collaborazione lo scorso autunno. L'accordo prevede che le istituzioni scambino idee scientifiche e tecnologiche, sostengano opportunità e stage per gli studenti e perseguano la ricerca e lo sviluppo in settori come l'energia solare e altre tecnologie di energia rinnovabile, le scienze climatiche e ambientali, le scienze biomediche e l'idrogeno.

"Questo progetto per ottenere una migliore comprensione del ruolo del microbioma cianobatterico nella crescita di fioriture algali dannose nel lago Erie e in altri corsi d'acqua nell'Ohio nordoccidentale è una delle numerose sfide scientifiche e ingegneristiche critiche che l'Università di Toledo sta affrontando con LLNL ", ha affermato Frank Calzonetti, vicepresidente dell'Università di Toledo per l'innovazione e lo sviluppo economico. "I nostri scienziati stanno traendo grandi benefici dall'accesso a una delle strutture di ricerca più importanti del mondo."

Altri contributori dell'Università di Toledo includono gli studenti laureati Sanduni Premathilaka e Sharmila Thenuwara. Altri ricercatori della LLNL includono David Baliu-Rodriguez (un ex studente laureato presso l'Università di Toledo), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon e Peter Weber.