Каждое лето в озерах по всему миру возникают очаги токсичной зеленой мути, от которой страдают туристы, не очищающие питьевую воду, закрываются любимые места для купания и гибнет рыба.
Наиболее опасной и изученной причиной цветения пресноводных водорослей является род цианобактерий под названием Microcystis. Считается, что их бурный летний рост стимулируется повышением уровня фосфора, азота и других питательных веществ, возможно, из-за стоков удобрений или других источников загрязнения. Однако новые исследования, проведенные благодаря достижениям в области секвенирования ДНК, позволяют предположить, что ключевую роль в этих массовых разрастаниях играют и другие виды микроорганизмов.
Согласно одному исследованию, вирусы, убивающие главного конкурента токсичного Microcystis, могут помочь подготовить условия для цветения; согласно другому исследованию, фиксация азота другими бактериями может обеспечить необходимый рост. По мнению некоторых ученых, полученные результаты свидетельствуют о том, что уменьшения количества питательных веществ может быть недостаточно, чтобы предотвратить появление этих склизких образований. Это не означает, что борьба с загрязнением не имеет значения, подчеркивают они, но необходимо учитывать экологические факторы. "Межвидовое биологическое взаимодействие помогает в формировании цветения", - говорит Кевин Джонсон, морской ученый из Технологического института Флориды, который не принимал участия в работе. "Чем больше деталей мы поймем о возникновении цветения, тем лучше мы будем знать, как его можно предотвратить или контролировать".
В связи с потеплением климата и продолжающимся притоком загрязняющих веществ вредоносное цветение водорослей увеличивается, становится все более частым и продолжительным во все большем количестве мест по всему миру. Это "довольно острая проблема", - считает Ариан Перальта, эколог-микробиолог из Университета Восточной Каролины.
В некоторых озерах сокращение стоков удобрений сначала, казалось, препятствовало цветению, но затем оно возобновилось. Подобные планы в отношении озера Эри, страдающего от цветения, могут обернуться обратным результатом, сообщила в мае группа микробиологов и экспертов по качеству воды, финансируемых Национальным научным фондом и другими американскими агентствами. Цветение этого озера в 2014 году вызвало такую острую нехватку питьевой воды в близлежащем городе Толедо, штат Огайо, что Канада и США договорились сократить количество фосфора, поступающего в озеро, на 40%.
Но моделирование этой стратегии, а также анализ более 100 соответствующих научных работ привели специалистов к выводу, что хотя ограничение фосфора может уменьшить цветение озера Эри, оно также может привести к росту токсичности: при снижении общего роста микроорганизмов все оставшиеся фотосинтезирующие Microcystis будут получать больше солнечного света и иметь больше доступного азота - два условия, которые способствуют увеличению производства микроцистина, вещества, которое делает цветение токсичным. Они высказали предположение, что азот в озере также должен быть сокращен.
Эта модель указывает на то, что другие микроорганизмы могут косвенно влиять на воздействие Microcystis. Но исследователи, изучающие цветение, как правило, не замечают многочисленных микробных обитателей озер, которые могут включать огромное количество диатомей и других эукариот, а также вирусы и различные виды бактерий, в том числе более мелкие, чем обычные, называемые пикоцианобактериями. "Все их обходят стороной, считая, что они не имеют никакого отношения к делу", - говорит Коди Шейк, эколог-микробиолог из Университета Миннесоты.
Отчасти проблема заключалась в том, что было трудно определить, какие микробы что делают в озере. Но Лорен Краусфельдт, микробиолог из Университета Нова Саутестерн, недавно обратилась к метагеномике - стратегии секвенирования всей ДНК в образцах воды и других сред, чтобы восстановить микробную экосистему озера Окичоби во Флориде. Это крупнейшее озеро на юго-востоке США, и ежегодное летнее цветение воды в Окичоби начало распространяться по рекам и попадать в Мексиканский залив и Атлантический океан, вынуждая закрывать пляжи. В период с апреля по сентябрь 2019 года, в сезон цветения, Краусфельдт и ее коллеги собрали многочисленные пробы воды в 21 участке озера. Из фрагментов ДНК, выделенных из проб и секвенированных, они собрали целые геномы, принадлежащие конкретным видам. В результате анализа было обнаружено 30 видов цианобактерий, ранее не встречавшихся в озере, а в некоторых случаях и новых для науки, в том числе 13 видов, которые потенциально могут вызывать цветение, сообщила Краусфельдт на Microbe 2022, ежегодной встрече Американского общества микробиологии. "Я была удивлена таким разнообразием, - говорит она.
Когда цветения не было, наиболее распространенными организмами были пикоцианобактерии. Но с наступлением сезона резко увеличилось количество ДНК бактериофагов, которые заражают пикоцианобактерии. Вскоре после этого концентрация токсичного микроцистиса начала стремительно расти. Анализ его генома выявил причину: Microcystis содержит несколько противовирусных средств защиты, таких как система, породившая геномный редактор CRISPR, которые отсутствуют у пикоцианобактерий. Кроме того, цианобактерии, вызывающие цветение, имеют гены, которые позволяют им накапливать азот, ключевое питательное вещество, что может обеспечить еще одно конкурентное преимущество перед многими озерными микроорганизмами, которые этого не делают.
Краусфельдт предполагает, что фаги находятся в спящем состоянии до тех пор, пока какой-то неизвестный сигнал окружающей среды не активирует их. Затем, когда вирусы начинают уничтожать все больше и больше пикоцианобактерий, вновь доступные азот, фосфор и больше света способствуют цветению Microcystis, предполагает Краусфельдт. Разрушение фагами клеток своих хозяев может высвободить еще больше питательных веществ, играя ключевую роль в обеспечении цветения водорослей, заключает она.
Шейк, который заявил, что не рассматривал фаги в качестве фактора цветения, но теперь хочет изучить такую вирусную динамику, поддерживает экосистемный образ мышления Краусфельдт. "Используя целостный подход, мы сможем лучше понять, как поддерживающие организмы могут помочь обеспечить цветение", - говорит он. Шейк и его коллеги также добавили метагеномику и оценку генной активности в исследования нескольких небольших озер в Миннесоте. Эти озера, сообщил он, содержат не только Microcystis, но и другие цианобактерии, вызывающие цветение, под названием Dolichospermum. В 2020 и 2021 годах, когда он и его коллеги отслеживали динамику микроорганизмов в одном озере в течение лета, они увидели, что Dolichospermum стал самым многочисленным микробом, но к июлю его популяция сократилась. Уровень азота в озере рос и снижался параллельно с микробом, что говорит о том, что он фиксирует азот и повышает его концентрацию в воде.
В этих относительно чистых озерах азота обычно не хватает, однако этот элемент необходим для производства микроцистина. Это может объяснить, почему Шейк и его коллеги наблюдали повышение уровня микроцистина и его токсина после цветения азотфиксирующего Dolichospermum. Microcystis должен использовать других членов пресноводной экосистемы для фиксации азота или для его рециркуляции путем разрушения других форм жизни, объясняет Шейк. "Я потрясен" данной метагеномной работой, говорит Бенджамин Вулф, микробиолог из Университета Тафтса, потому что она может очень подробно осветить микробные взаимосвязи в озере.
Случай с Dolichospermum иллюстрирует, насколько сложным может быть цветение водорослей. При этом, в отличие от Европы, где эта бактерия вызывает токсичное цветение, виды Dolichospermum в США не имеют генов для производства токсинов - по крайней мере, пока, говорит Шейк, который планирует продолжать наблюдать за ними в своих метагеномных исследованиях.
Как можно прервать динамику микроорганизмов, вызывающих цветение, пока неизвестно, и картина все время усложняется. "Мы пытаемся понять, какие части сложных микробных сообществ меняются и что мы можем изменить, чтобы добиться другого результата", - говорит Перальта. Но она оптимистично считает, что со временем "мы сможем понять, какими рычагами мы можем управлять".
