В теплые месяцы озеро Эри становится идеальной средой для быстрого развития цианобактерий, известных как сине-зеленые водоросли. В таких условиях водоросли могут образовывать обширные скопления (цветение), выделяющие токсины в концентрациях, опасных как для дикой природы, так и для человека.
Исследователи из Мичиганского университета теперь точно установили организм, ответственный за производство этих токсинов. Их работа определяет конкретный тип цианобактерий, известный как Dolichospermum, в качестве источника опасных веществ.
Вредное цветение водорослей может включать множество видов цианобактерий, каждый из которых способен генерировать различные токсины. Определение того, какой вид производит конкретный токсин, крайне важно для мониторинга, прогнозирования и управления такими событиями.
В 2014 году крупное цветение водорослей привело к появлению микроцистина, что создало серьезную угрозу для водоснабжения Толедо. Ранее, в 2007 году, ученые обнаружили в озере Эри признаки чрезвычайно сильного сакситоксина, хотя его биологический источник оставался неизвестным. Сакситоксины относятся к группе тесно связанных нейротоксинов, которые считаются одними из самых мощных природных ядов.
Грегори Дик, профессор наук о Земле и окружающей среде, а также экологии и устойчивого развития, подчеркивает: «Главное преимущество знания того, какой организм производит токсин, заключается в том, что это помогает нам понять условия, вызывающие производство токсинов – то есть, при каких условиях эти организмы успешно развиваются. Такая информация может помочь в формировании политики и управлении, хотя в данном случае до этого еще далеко».
Для определения организма, ответственного за производство сакситоксина, команда Мичиганского университета собирала образцы непосредственно во время цветения водорослей в озере. Ведущий автор исследования Пол Ден Уил применил метод «дробовикового» секвенирования – технологию, которая позволяет прочитать всю ДНК, присутствующую в пробе воды. Используя эти последовательности, он реконструировал полный геном, а затем искал в нем гены, отвечающие за синтез сакситоксина.
Их анализ выявил несколько штаммов Dolichospermum, обитающих в озере Эри. Однако лишь некоторые из них обладали способностью производить сакситоксин. Хотя причина этого различия пока неясна, исследователи приступили к изучению условий окружающей среды, которые могут влиять на производство токсинов.
В течение года команда собирала образцы из различных точек озера Эри и измеряла содержание гена, связанного с сакситоксином, в каждом из них. Они часто обнаруживали более высокие уровни этого гена в более теплой воде.
«Это интересно, потому что мы знаем, что озера меняются под воздействием изменения климата, – отмечает Ден Уил, научный сотрудник Кооперативного института Великих озер (CIGLR) Мичиганского университета. – С потеплением озер один из больших вопросов заключается в том, как это изменит биологические сообщества, включая вредоносное цветение цианобактерий».
Они также заметили, что ген, связанный с сакситоксином, реже встречался в районах с повышенным уровнем аммония. Команда предполагает, что эта закономерность может быть связана с отличительной особенностью Dolichospermum: наличием гена, который позволяет ему использовать азот в форме диазота – обильного атмосферного газа. По словам Дика, лишь ограниченное число организмов способно использовать азот в такой форме, что дает Dolichospermum конкурентное преимущество в определенных условиях.
«Одним из преимуществ наличия полного генома является возможность увидеть все, что организм может делать, по крайней мере, теоретически, – говорит Дик, который также является директором CIGLR. – У вас есть полный «чертеж» того, на что способен организм, и мы действительно видим его способность получать фиксированный азот из воды. Просто получение его в виде газообразного диазота – это своего рода «суперсила». Не многие организмы могут это делать, и это делает их более конкурентоспособными в таких условиях».
По словам исследователей, они наблюдали за сакситоксином в озере в течение девяти лет, но этот период слишком короток, чтобы определить, будет ли уровень токсина расти по мере продолжения потепления климата.
«Но теперь, когда мы знаем, кто его производит, я думаю, мы можем лучше следить за этими организмами, а также напрямую оценивать обилие генов со временем, – добавляет Дик. – Мы планируем продолжать мониторинг обилия этого организма, но пока рано говорить, становится ли он более распространенным. Это всего лишь корреляция, но эта корреляция с температурой вызывает озабоченность».
Исследование было опубликовано в журнале Environmental Science & Technology.
