Le changement climatique, tel que le réchauffement et les changements dans les régimes de précipitations, affecte la fréquence et la gravité des proliférations d'algues nuisibles (HAB) à l'échelle mondiale, y compris celles des cyanobactéries productrices de toxines qui peuvent contaminer l'eau potable.
Ces proliférations induites par les nutriments suscitent des préoccupations mondiales en matière de santé publique et écosystémique. Depuis le milieu des années 1990, le lac Érié, le moins profond et le plus chaud des Grands Lacs et source d'eau potable pour 11 millions de personnes, a connu des proliférations saisonnières de cyanobactéries dominées par plusieurs espèces. Microcystis, la plus abondante et la plus toxique, est reconnue comme le principal producteur de cyanotoxines dans le lac Érié.
Dans un effort pour mieux comprendre les facteurs qui conduisent aux HAB dans le lac Érié, les scientifiques et les collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de l'Université de Toledo et de l'Université du Michigan ont étudié la production de cyanotoxines et la structure de la communauté du microbiome de plusieurs cultures de Microcystis collectées. des proliférations d'algues dans le lac Érié.
Un domaine qui nécessite des recherches accrues pour mieux comprendre et, à terme, prédire la dynamique des HAB est la manière dont les interactions biologiques dans les écosystèmes lacustres entraînent la formation et le déclin des proliférations et comment ces interactions changent selon différentes conditions nutritionnelles. C'est ce que l'équipe avait pour objectif de faire, en commençant par le laboratoire.
Ils ont examiné le rôle du microbiome cyanobactérien dans l’impact sur la croissance et la production de cyanotoxines en présence de faibles nutriments inorganiques afin de comprendre comment le cycle microbien des nutriments organiques peut avoir un impact sur les HAB. Les HAB cyanobactériens sont généralement liés à un apport excessif de phosphore inorganique et d’azote (qui se trouvent tous deux dans les engrais). Le phosphore est largement reconnu comme un contributeur majeur à la biomasse phytoplanctonique en eau douce.
"Mais l'azote apparaît désormais comme un nutriment limitant dans ces écosystèmes, en particulier lors des proliférations d'algues, où sa disponibilité limite souvent la croissance des cyanobactéries", a déclaré Wei Li, scientifique du LLNL, auteur principal de l'article paru dans The ISME Journal<. /je> .
"La plupart des études se sont concentrées sur les formes inorganiques d'azote telles que le nitrate et l'ammonium, mais le rôle des molécules organiques dans l'alimentation des HAB n'est pas bien caractérisé. L'azote organique, qui comprend des composés comme les acides aminés, les protéines et l'urée, pourrait être une source importante d'azote pour les proliférations d'algues, mais sa dynamique et son impact sont moins bien compris. Ce manque de connaissances empêche notre capacité à prédire et à gérer efficacement les HAB, car les sources d'azote organique pourraient jouer un rôle essentiel dans le maintien de ces proliférations. "
Dans l’étude, les scientifiques ont utilisé des expériences de transplantation de microbiome, des analyses de cyanotoxines et des sondages d’isotopes stables à l’échelle nanométrique pour mesurer l’incorporation et l’échange d’azote à une résolution unicellulaire. Premièrement, ils ont découvert que le type d'azote organique disponible façonnait la communauté microbienne associée à Microcystis et que l'apport externe d'azote organique conduisait à des niveaux de cyanotoxine produits similaires à ceux de l'azote inorganique.
Cela suggère que le microbiome pourrait aider à maintenir suffisamment de niveaux d’azote pour que les cyanobactéries puissent fabriquer des molécules de toxines riches en azote. Dragan Isailovic, professeur de chimie à l'Université de Tolède, a fourni son expertise en matière d'analyse des cyanotoxines.
Ensuite, les scientifiques du LLNL ont effectué une analyse de l'incorporation d'azote unicellulaire après avoir effectué des incubations avec de l'azote, 15 acides aminés marqués et des protéines, révélant que certaines communautés bactériennes étaient en concurrence avec Microcystis pour l'azote organique, mais que d'autres communautés favorisaient une absorption accrue d'azote par Microcystis, probablement par modification de l'azote organique à d'autres molécules que les algues pourraient incorporer.
À l'aide du nanoSIMS du LLNL, un spectromètre de masse complexe, l'équipe a pu déterminer si les algues toxiques ou le microbiome (ou les deux) étaient capables d'incorporer l'isotope marqué azote.
"Sans cet instrument, il serait presque impossible de comprendre cela car le microbiome et les algues toxiques sont tous collés ensemble dans ces biofilms", a déclaré Xavier Mayali, scientifique au LLNL, auteur principal et chercheur principal de l'étude.
Le nanoSIMS a permis la séparation du signal isotopique des cyanobactéries et des cellules plus petites du microbiome à partir d’échantillons conservés et séchés. Une microscopie supplémentaire d'échantillons vivants en trois dimensions, obtenue par Ty Samo, co-auteur et scientifique du LLNL, a révélé les associations étroites entre Microcystis et son microbiome.
Des chercheurs de l'Université du Michigan ont contribué aux expériences et à l'analyse génomique dans le cadre du projet collaboratif, en exploitant une collection de cultures de Microcystis qu'ils ont isolées du lac et conservées en laboratoire.
"Nous commençons tout juste à comprendre comment le microbiome affecte la biologie et la toxicité des proliférations de cyanobactéries. Ce projet nous a permis de rassembler le nanoSIMS, la microbiologie, la génomique et l'analyse des cyanotoxines", a déclaré Anders Kiledal, chercheur adjoint et co-auteur de l'Université du Michigan. .
Les données de culture en laboratoire ont montré que l'apport d'azote organique pourrait potentiellement favoriser la prolifération de Microcystis et la production de toxines dans la nature, et que les communautés microbiennes associées à Microcystis jouent probablement un rôle essentiel dans ce processus. Cependant, ces hypothèses nécessiteront des tests directement dans le lac Érié, ce que l'équipe espère faire à l'avenir.
LLNL entretient des liens étroits avec l'Université de Tolède après avoir formalisé un accord de collaboration l'automne dernier. L'accord appelle les institutions à échanger des idées scientifiques et technologiques, à soutenir les opportunités et les stages pour les étudiants et à poursuivre la recherche et le développement dans des domaines tels que l'énergie solaire et d'autres technologies d'énergie renouvelable, les sciences du climat et de l'environnement, les sciences biomédicales et l'hydrogène.
"Ce projet visant à mieux comprendre le rôle du microbiome cynanobactérien dans la croissance de proliférations d'algues nuisibles dans le lac Érié et dans d'autres cours d'eau du nord-ouest de l'Ohio est l'un des nombreux défis scientifiques et techniques critiques auxquels l'Université de Toledo s'attaque avec LLNL. ", a déclaré Frank Calzonetti, vice-président pour l'innovation et le développement économique de l'Université de Tolède. "Nos scientifiques bénéficient grandement de notre accès à l'une des meilleures installations de recherche au monde."
Parmi les autres contributeurs de l’Université de Tolède figurent les étudiants diplômés Sanduni Premathilaka et Sharmila Thenuwara. Parmi les autres chercheurs du LLNL figurent David Baliu-Rodriguez (ancien étudiant diplômé de l'Université de Tolède), Jeffrey Kimbrel, Christina Ramon et Peter Weber.
