Бактериальные биоиндикаторы позволяют классифицировать биологическое состояние вдоль континентальной реки Дунай.

Биология связи, том 6, Номер статьи: 862 (2023) Цитировать эту статью

698 Доступов

14 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на важность бактерий в водных экосистемах и их предсказуемое разнообразие в пространстве и времени, инструменты биомониторинга для оценки состояния, основанные на этих организмах, широко отсутствуют. Частично это связано с недостаточным количеством данных и моделей для выявления надежных микробных предикторов. Здесь мы показываем, что метабаркодирование в сочетании с многомерной статистикой и машинным обучением позволяет идентифицировать бактериальные биоиндикаторы для существующих систем классификации биологического статуса. Динамика бета-разнообразия бактерий следует за градиентами окружающей среды, и наблюдаемые ассоциации подчеркивают потенциальные биоиндикаторы экологических последствий. Пространственно-временные связи, охватывающие микробные сообщества вдоль реки, позволяют точно прогнозировать биологический статус нижнего течения на основе информации, полученной вверх по течению. Сетевой анализ вариантов последовательностей ампликонов идентифицирует в качестве хороших индикаторов роды Fluviicola, Acinetobacter, Flavobacterium и Rhodoluna и выявляет информационную избыточность среди таксонов, которая совпадает с таксономическим родством. Избыточность бактериальных биоиндикаторов обнаруживает взаимоисключающие таксоны, которые позволяют точно моделировать биологический статус, используя всего 2–3 варианта последовательности ампликона. Таким образом, наши модели показывают, что использование нескольких вариантов последовательностей бактериальных ампликонов из глобально распространенных родов позволяет оценить биологический статус вдоль речных систем.

В последние десятилетия сохранение и восстановление речных экосистем, находящихся под угрозой исчезновения, приобрело решающее значение во всем мире. В Европе оценка экологического статуса опирается на несколько показателей, включая физические, химические и биологические параметры. Биологические индикаторы охватывают различные компоненты сообществ, обитающих в пресноводных экосистемах: рыб, макробеспозвоночных, водную флору, включая фитопланктон, фитобентос и макрофиты. До сих пор прокариотам уделялось мало внимания1,2,3, за исключением оценки качества воды, связанной со здоровьем, например, для купания или питьевой воды4,5,6,7.

Прокариоты из-за своего небольшого размера и высокого соотношения поверхности к объему чрезвычайно чувствительны к изменениям окружающей среды, включая изменения в питательных веществах или загрязнителях даже при очень низких концентрациях8. Эта способность делает их идеальными кандидатами в качестве биоиндикаторов и дозорных раннего предупреждения, способных быстро реагировать на любые признаки стресса в окружающей среде9. Необходимость в биологических индексах, основанных на прокариотах, неоднократно подчеркивалась разными авторами, и было предложено множество подходов для включения этих сообществ в существующие сети биомониторинга как для пресноводной, так и для морской среды10.

Первые попытки идентифицировать бактериальные таксоны, подходящие в качестве биоиндикаторов для характеристики биологического статуса, были предприняты Фортунато и др.11 в реке Колумбия и ее устье. Им удалось идентифицировать несколько таксонов сообществ бактериопланктона, специфичных для разных сезонов и типов среды обитания. Aylagas et al.12 пошли еще дальше и использовали индекс биологического статуса, основанный на донных макробеспозвоночных, в качестве методологической основы для разработки сопоставимого индекса с использованием бактериальных таксонов из секвенирования ампликона 16S рРНК. Бактериальные таксоны были разделены на две экологические группы в зависимости от их положительной или отрицательной связи с органическими и неорганическими загрязнениями. Разработанный ими индекс microgAMBI основан на относительной численности таксонов, связанных с каждой из двух экологических групп. Кроме того, это исследование выявило значительную корреляцию между недавно разработанным бактериальным индексом и традиционным методом классификации, основанным на макробеспозвоночных, показывая лучшую эффективность первого в некоторых случаях. Это подчеркнуло, что бактерии и экологический статус могут быть связаны и что индексы на основе бактерий могут быть надежными показателями для оценки воздействия на окружающую среду и классификации качества воды в прибрежных районах.