Ocena wrażliwości środowiskowych szczepów Microcystis aeruginosa i Aphanizomenon gracile na bakterie algobójcze - opracowanie rozwiązań biotechnologicznych dla ekologii

(EN)

Cyanobacteria are the only bacteria capable of oxygenic photosynthesis and are found in most aquatic and terrestrial environments. Due to increasing anthropopressure and water eutrophication, there is a global increase in the geographical extent, frequency and duration of cyanobacterial harmful algae blooms (CyanoHABs). This phenomenon is detrimental to aquatic ecosystems as blooms block access to light and cause hypoxia or anoxia when bloom ages and decomposes. They are also harmful for animals (including humans) due to the variety of toxins (cyanotoxins) they produce. In addition, they pose a threat to water resources and ecosystem services. Global climate change is also contributing to the development of cyanobacterial blooms as a result of increasing average temperatures and CO2 supply, and cyanobacterial blooms may in turn be a source of greenhouse gas emissions.

Therefore, effective methods are being sought to control cyanobacterial bloom outbreaks. Biological methods are of particular interest, within the framework of Nature-Based Solutions (NBS), and among these is the use of algicidal bacteria. Heterotrophic bacteria coexist and interact with cyanobacteria in blooms, and their antagonistic relationships could be used as an effective source for controlling cyanobacterial abundance.

The vast majority of studies on this subject concern Microcystis spp. - one of the most pervasive and disruptive genera of cyanobacterial blooms in freshwater. These cyanobacteria are capable of producing hepatotoxins – microcystins. Nevertheless, Microcystis spp. often coexist in blooms with filamentous nitrogen-fixing (i.e., diazotrophic) cyanobacteria such as Aphanizomenon spp. Blooms of non-diazotrophic cyanobacteria (such as Microcystis spp.) are also sometimes preceded by blooms of diazotrophic cyanobacteria (such as Aphanizomenon spp.). Cyanobacteria of the genus Aphanizomenon are furthermore potential producers of several cyanotoxins, such as cylindrospermopsin (cytotoxin), anatoxin-a (neurotoxin), saxitoxins (neurotoxins) or microcystins (hepatotoxins).

In the present study, the effect of two potentially algicidal bacterial strains isolated from Sulejów Reservoir, i.e., Bacillus pumilus SU8S0818 (Firmicutes) and Morganella morganii SU7S0818 (Gammaproteobacteria), was investigated on two environmental cyanobacterial strains: Microcystis aeruginosa PN (isolated from Lake Pniewskie) and Aphanizomenon gracile WIT (isolated from Lake Witobelskie). Over six days of co-culture, using a method of determining cell abundance based on fluorescence microscopy, a decrease in abundance was observed in all combinations (the algicide ratio was >98%). At the same time, using RT-qPCR and the 2-ΔΔCt computational method, changes in the expression of stress marker genes were studied after 6, 12, 24 and 30 hours of the experiment. The selected stress marker genes were psbA and recA. The psbA gene is responsible for the synthesis of D1 protein, a core photosystem II (PSII) protein, which is particularly vulnerable to photodamage and under optimal conditions is cyclically exchanged within the PSII repair cycle. RecA protein (encoded by recA) is involved in DNA damage repair system. Significant changes in the expression of these genes were observed in relation to control samples - both overexpression and underexpression, depending on time and strain type.

The study confirms the algicidal properties and application potential of Bacillus pumilus SU8S0818 and Morganella morganii SU7S0818 against both Microcystis aeruginosa PN and Aphanizomenon gracile WIT. At the same time, changes in the expression of genes related to the function of the photosynthetic and DNA repair systems suggest potential physiological mechanisms behind the algicidal activity.

Research funded: National Science Centre 2019/33/B/NZ8/02093 ALGICYDY, “Isolation, identification and characterisation of algicidal bacteria as a potential factor controlling the occurrence of freshwater toxic cyanobacterial blooms”

(PL) Cyjanobakterie, jedyne bakterie przeprowadzające fotosyntezę oksygeniczną, występują w większości środowisk wodnych i lądowych. Ze względu na postępującą antropopresję i eutrofizację wód, obserwuje się obecnie globalny wzrost zasięgu geograficznego, częstotliwości oraz czasu trwania sinicowych zakwitów wód. Jest to zjawisko szkodliwe dla ekosystemów wodnych, jako że zakwity sinicowe blokują dostęp światła, a na skutek ich starzenia się i rozkładu dochodzi do hipoksji lub anoksji zbiorników. Są też zagrożeniem dla zwierząt (w tym człowieka), jako że sinice produkują szereg toksyn (cyjanotoksyn). Ponadto, stanowią zagrożenie dla zasobów wodnych oraz usług ekosystemowych. Do rozwoju zakwitów sinicowych przyczynia się też globalna zmiana klimatu (rosnące średnia temperatura oraz stężenie CO2 stymulują wzrost sinic); one same mogą z kolei stanowić źródło emisji gazów cieplarnianych.

Dlatego też poszukuje się efektywnych metod kontroli zakwitów sinicowych. Szczególnym zainteresowaniem, w ramach modelu rozwiązań bliskich naturze, cieszą się metody biologiczne, a wśród nich – wykorzystanie bakterii algobójczych. Heterotroficzne bakterie współistnieją i oddziałują z cyjanobakteriami w zakwitach, a ich zależności antagonistyczne mogą być efektywnym źródłem kontroli liczebności cyjanobakterii.

Znaczna większość badań na powyższy temat dotyczy Microcystis spp. – jednego z najbardziej rozprzestrzenionych i uciążliwych w kontroli rodzajów sinic w wodach słodkich. Sinice te są zdolne do produkcji hepatotoksyn – mikrocystyn. Tym niemniej, Microcystis spp. często współistnieją w zakwitach z filamentowymi sinicami wiążącymi azot (tj. diazotroficznymi), takimi jak Aphanizomenon spp. Zakwity sinic niewiążących azotu (takich jak Microcystis spp.) bywają też poprzedzane zakwitami sinic wiążących azot (takich jak Aphanizomenon spp.). Cyjanobakterie z rodzaju Aphanizomenon są ponadto potencjalnymi producentami szeregu cyjanotoksyn, takich jak cylindrospermopsyna (cytotoksyna), anatoksyna-a (neurotoksyna), saksitoksyny (neurotoksyny) czy mikrocystyny (hepatotoksyny).

W ramach prezentowanych badań zbadano wpływ dwóch potencjalnie algobójczych szczepów bakterii wyizolowanych ze Zbiornika Sulejowskiego – Bacillus pumilus SU8S0818 (Firmicutes) oraz Morganella morganii SU7S0818 (Gammaproteobacteria) – na dwa środowiskowe szczepy sinicowe: Microcystis aeruginosa PN (wyizolowany z Jeziora Pniewskiego) oraz Aphanizomenon gracile WIT (wyizolowany z Jeziora Witobelskiego). Po sześciu dniach współhodowli, stosując metodę określania liczebności komórek opartą na mikroskopii fluorescencyjnej, zaobserwowano spadek liczebności we wszystkich kombinacjach (wskaźnik algicydowy wyniósł >98%). Jednocześnie, wykorzystując technikę RT-qPCR oraz metodę obliczeniową 2-ΔΔCt, badano zmiany ekspresji genów markerowych reakcji stresowej po 6, 12, 24 i 30 godzinach trwania eksperymentu. Za geny markerowe reakcji stresowej obrano psbA oraz recA. Gen psbA odpowiada za syntezę białka D1, białka rdzeniowego fotoukładu II (PSII), które jest szczególnie narażone na fotouszkodzenia i w optymalnych warunkach podlega cyklicznej wymianie w ramach tzw. cyklu naprawy PSII. Białko RecA (kodowane przez gen recA) bierze udział w systemie naprawy uszkodzeń DNA. Zaobserwowano znaczące zmiany w ekspresji ww. genów względem kontroli – zarówno nadekspresję, jak i obniżoną ekspresję, zależnie od czasu i rodzaju szczepów.

Przeprowadzone badania potwierdzają algobójcze właściwości i aplikacyjny potencjał Bacillus pumilus SU8S0818 i Morganella morganii SU7S0818 zarówno wobec Microcystis aeruginosa PN, jak i Aphanizomenon gracile WIT. Jednocześnie zmiany w ekspresji genów związanych z funkcjonowaniem aparatu fotosyntetycznego oraz systemu naprawy uszkodzeń DNA sugerują potencjalne mechanizmy fizjologiczne stojące za działaniem algicydowym.

Badania finansowane z projektu „Izolacja, identyfikacja i charakterystyka bakterii algicydowych jako potencjalnego czynnika kontrolującego występowanie toksycznych sinicowych zakwitów wód słodkich” ALGICYDY, NCN, 2019/33/B/NZ8/02093.