As alterações climáticas, como o aquecimento e as alterações nos padrões de precipitação, afectam a frequência e a gravidade da proliferação de algas nocivas (HAB) a nível mundial, incluindo as de cianobactérias produtoras de toxinas que podem contaminar a água potável.



Esses florescimentos induzidos por nutrientes causam preocupações de saúde pública e dos ecossistemas em todo o mundo. Desde meados da década de 1990, o Lago Erie, o mais raso e mais quente dos Grandes Lagos e fonte de água potável para 11 milhões de pessoas, tem experimentado florescimentos sazonais de cianobactérias dominados por diversas espécies. Microcystis, o mais abundante e tóxico, é reconhecido como o maior produtor de cianotoxinas no Lago Erie.

Em um esforço para compreender melhor os fatores que levam aos HABs no Lago Erie, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e colaboradores da Universidade de Toledo e da Universidade de Michigan investigaram a produção de cianotoxinas e a estrutura da comunidade do microbioma de várias culturas de Microcystis coletadas da proliferação de algas no Lago Erie.

Uma área que requer pesquisas crescentes para melhor compreender e, em última análise, prever a dinâmica do HAB é como as interações biológicas nos ecossistemas lacustres impulsionam a formação e o declínio da floração e como essas interações mudam sob diferentes condições de nutrientes. Foi isso que a equipe pretendia fazer, começando no laboratório.

Eles examinaram o papel do microbioma cianobacteriano no impacto no crescimento e na produção de cianotoxinas sob baixo teor de nutrientes inorgânicos para entender como o ciclo microbiano de nutrientes orgânicos pode impactar os HABs. Os HABs de cianobactérias estão geralmente associados à entrada excessiva de fósforo inorgânico e nitrogênio (ambos encontrados em fertilizantes). O fósforo tem sido amplamente reconhecido como um dos principais contribuintes para a biomassa do fitoplâncton em água doce.

"Mas o nitrogênio está agora emergindo como um nutriente limitante nesses ecossistemas, especialmente durante a proliferação de algas, onde sua disponibilidade muitas vezes restringe o crescimento de cianobactérias", disse o cientista do LLNL, Wei Li, principal autor do artigo publicado no The ISME Journal<. /eu> .

"A maioria dos estudos concentrou-se em formas inorgânicas de nitrogênio, como nitrato e amônio, mas o papel das moléculas orgânicas no abastecimento de HABs não está bem caracterizado. O nitrogênio orgânico, que inclui compostos como aminoácidos, proteínas e ureia, pode ser uma fonte significativa de nitrogénio para a proliferação de algas, mas a sua dinâmica e impacto são menos compreendidos. Esta lacuna no conhecimento impede a nossa capacidade de prever e gerir eficazmente os HABs, uma vez que as fontes de azoto orgânico podem desempenhar um papel crítico na sustentação destas proliferações."

No estudo, os cientistas usaram experimentos de transplante de microbioma, análise de cianotoxinas e sondagem de isótopos estáveis ​​em escala nanométrica para medir a incorporação e troca de nitrogênio na resolução unicelular. Primeiro, eles descobriram que o tipo de nitrogênio orgânico disponível moldou a comunidade microbiana associada a Microcystis, e que a entrada externa de nitrogênio orgânico levou a níveis semelhantes de cianotoxina produzida como com nitrogênio inorgânico.

Isto sugeriu que o microbioma poderia ajudar a manter níveis de nitrogênio suficientes para que as cianobactérias produzissem moléculas de toxinas ricas em nitrogênio. Dragan Isailovic, professor de química da Universidade de Toledo, forneceu experiência em análise de cianotoxinas.

Em seguida, os cientistas do LLNL conduziram análises de incorporação de nitrogênio unicelular após fazer incubações com nitrogênio, 15 aminoácidos marcados e proteínas que revelaram que algumas comunidades bacterianas competiam com Microcystis por nitrogênio orgânico, mas outras comunidades promoveram aumento da absorção de nitrogênio por Microcystis, provavelmente através da modificação de o nitrogênio orgânico para outras moléculas que as algas poderiam incorporar.

Usando o nanoSIMS do LLNL, um espectrômetro de massa complexo, a equipe foi capaz de determinar se as algas tóxicas ou o microbioma (ou ambos) eram capazes de incorporar o isótopo marcado como nitrogênio.

“Sem este instrumento, seria quase impossível descobrir isso porque o microbioma e as algas tóxicas estão todos presos nesses biofilmes”, disse o cientista do LLNL Xavier Mayali, autor sênior e investigador principal do estudo.

O nanoSIMS permitiu a separação do sinal isotópico das cianobactérias e das células menores do microbioma de amostras que foram preservadas e secas. Microscopia adicional de amostras vivas em três dimensões, obtida pelo coautor e cientista do LLNL Ty Samo, revelou as estreitas associações entre Microcystis e seu microbioma.

Pesquisadores da Universidade de Michigan contribuíram para experimentos e análises genômicas no projeto colaborativo, aproveitando uma coleção de culturas de Microcystis que isolaram do lago e mantiveram em laboratório.

"Estamos realmente apenas começando a entender como o microbioma afeta a biologia e a toxicidade das florações de cianobactérias. Este projeto nos permitiu reunir nanoSIMS, microbiologia, genômica e análise de cianotoxinas", disse o cientista assistente de pesquisa e coautor da Universidade de Michigan, Anders Kiledal. .

Os dados de cultura laboratorial mostraram que a entrada de nitrogênio orgânico poderia potencialmente apoiar a proliferação de Microcystis e a produção de toxinas na natureza, e as comunidades microbianas associadas a Microcystis provavelmente desempenham papéis críticos neste processo. No entanto, estas hipóteses exigirão testes diretamente no Lago Erie, o que a equipe espera fazer no futuro.

O LLNL mantém laços estreitos com a Universidade de Toledo depois de formalizar um acordo de colaboração no outono passado. O acordo prevê que as instituições troquem ideias científicas e tecnológicas, apoiem oportunidades e estágios estudantis e prossigam investigação e desenvolvimento em áreas como a energia solar e outras tecnologias de energia renovável, ciências climáticas e ambientais, ciências biomédicas e hidrogénio.

"Este projeto para obter uma melhor compreensão do papel do microbioma cinanobacteriano no crescimento da proliferação de algas nocivas no Lago Erie e em outros cursos de água no noroeste de Ohio é um dos vários desafios críticos de ciência e engenharia que a Universidade de Toledo está enfrentando com o LLNL ", disse Frank Calzonetti, vice-presidente de inovação e desenvolvimento econômico da Universidade de Toledo. “Nossos cientistas estão se beneficiando enormemente com nosso acesso a uma das principais instalações de pesquisa do mundo”.

Outros colaboradores da Universidade de Toledo incluem os estudantes de pós-graduação Sanduni Premathilaka e Sharmila Thenuwara. Outros pesquisadores do LLNL incluem David Baliu-Rodriguez (ex-aluno de pós-graduação da Universidade de Toledo), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon e Peter Weber.