Διαφορετικές μικροβιακές κοινότητες βοηθούν στον έλεγχο της ρύπανσης για παράκτια περιβάλλοντα

Οι παράκτιες περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους υφίστανται ολοένα και περισσότερο τις επιπτώσεις της ανθρώπινης πίεσης, είτε από τοπικές δραστηριότητες είτε ως αποτέλεσμα επιπτώσεων παγκόσμιας κλίμακας. Η δημογραφική επέκταση, η υπερεκμετάλλευση των πόρων, η υποβάθμιση των οικοτόπων, η απελευθέρωση ρύπων στη γη και στη θάλασσα και η κλιματική αλλαγή επηρεάζουν γρήγορα αυτά τα περιβάλλοντα με απρόβλεπτες επιπτώσεις. Η εξερεύνηση και η εκμετάλλευση πετρελαίου σε περιοχές της Αρκτικής και της Υποανταρκτικής, καθώς και η αύξηση του τουρισμού στην Ανταρκτική, προσθέτουν σε αυτήν την ανησυχητική εικόνα, θέτοντας υψηλούς κινδύνους πετρελαϊκής ρύπανσης σε αυτά τα ευαίσθητα περιβάλλοντα.

Τα ιζήματα διαδραματίζουν θεμελιώδη ρόλο στην υγεία του παράκτιου περιβάλλοντος. Τα ιζήματα δεν είναι μόνο αδρανή υλικά όπως η άμμος ή ο ασβέστης:αποτελούν μια πλούσια οργανική μήτρα που φιλοξενεί μια ευρεία γκάμα μικροβίων (κυρίως βακτήρια, αλλά και μικρά πρωτεία και φύκια και τη λιγότερο γνωστή Archaea ). Οι μικροοργανισμοί διαθέτουν ισχυρές εργαλειοθήκες ενζύμων ικανές να πραγματοποιούν χημικές αντιδράσεις σε όλα τα είδη μορίων, μέσω των οποίων συμμετέχουν σε βασικές λειτουργίες του οικοσυστήματος, όπως ο κύκλος του άνθρακα και των θρεπτικών ουσιών, η ανακύκλωση νεκρών ουσιών και η βιοαποδόμηση ρύπων.

Αντί να είναι μια ομάδα άσχετων ζωντανών μορφών, οι μικροοργανισμοί των ιζημάτων είναι πολύ διαφορετικοί και λεπτώς δομημένοι ως αποτέλεσμα της εξέλιξης, σε λειτουργικά συγκροτήματα. Τα μικρόβια συνεργάζονται μοναδικά ανταποκρινόμενα σε περιβαλλοντικούς παράγοντες και έκθεση σε διαφορετικούς τύπους βιοτικών αλληλεπιδράσεων (σχέσεις μεταξύ τους), με αποτέλεσμα μια εξαιρετικά οργανωμένη οντότητα, τη μικροβιακή κοινότητα. Η κοινότητα που προκύπτει είναι πολύ στενά συνδεδεμένη με τη φυσική μεταβλητότητα των οικοτόπων. Για παράδειγμα, σε αντίθεση με αυτό που συμβαίνει στο θαλασσινό νερό, το οποίο είναι συνήθως αναμεμειγμένο, τα ιζήματα είναι κατακόρυφα διαστρωματωμένα, ακολουθώντας μια απότομη κλίση οξειδοαναγωγής στα πρώτα εκατοστά βάθους, όπου το οξυγόνο υπάρχει μόνο στο ανώτερο στρώμα. Ως αποτέλεσμα, τα αερόβια βακτήρια (και οι μεταβολικές τους διεργασίες, όπως η αναπνοή οργανικής ύλης με τη μεσολάβηση οξυγόνου) τείνουν να κυριαρχούν στο επιφανειακό στρώμα και τη διεπαφή ιζήματος-νερού, ενώ τα βαθύτερα στρώματα είναι συνήθως ανοξικά και χαρακτηρίζονται από αναερόβια βακτήρια και τις σχετικές διεργασίες τους όπως ως αναγωγή νιτρικών, θειικών ή ακόμη και σιδήρου.

Ανάλυση DNA μικροοργανισμού

Οι περιβαλλοντικοί μικροοργανισμοί δεν καλλιεργούνται εύκολα στο εργαστήριο, στην πλειονότητά τους είναι ακαλλιέργητοι με συμβατικές μεθόδους, χαρακτηριστικό που εμποδίζει τη μελέτη τους με παραδοσιακές εργαστηριακές τεχνικές. Για να αναλύσουν τον φυσιολογικό και οικολογικό τους ρόλο, οι ερευνητές βασίζονται στην ανάλυση βιομορίων όπως το DNA. Οι πληροφορίες που συλλέγονται σε αυτά τα βιομόρια μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για την ταυτότητά τους (κατά την ανάλυση συγκεκριμένων γονιδίων που φέρουν σημαντικές πληροφορίες για την εξελικτική τους ιστορία) αλλά και για τα πιθανά μεταβολικά τους χαρακτηριστικά.

Για παράδειγμα, όταν αναλύουμε γονίδια που κωδικοποιούν ένζυμα που σχετίζονται με ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό, για παράδειγμα, τη νιτροποίηση, συμπεραίνουμε ότι αυτή η ικανότητα (αερόβια οξείδωση αμμωνίου) είναι παρούσα στην αναλυόμενη μικροβιακή κοινότητα, δίνοντάς μας ενδείξεις για την πιθανή τύχη του αμμωνίου στην αναλυόμενη οικοσύστημα. Καθώς τα γονίδια περιέχονται στα γονιδιώματα των μικροοργανισμών, η κοινή ανάλυση όλων των γονιδίων από όλα τα γονιδιώματα των μελών μιας μικροβιακής κοινότητας ονομάζεται «μεταγονιδιωματική». Αυτή η ανάλυση έχει το πλεονέκτημα ότι είναι υψηλής απόδοσης, δημιουργώντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων αλληλουχίας ανά δείγμα. Η προσέγγιση είναι κατάλληλη για την ανάλυση φυσικών μικροβιακών κοινοτήτων, καθώς συνήθως αποτελούνται από εκατοντάδες ή και χιλιάδες διαφορετικά μέλη. Μέθοδοι ανεξάρτητες από την καλλιέργεια, συμπεριλαμβανομένης της μεταγονιδιωματικής, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναδόμηση ενός δακτυλικού αποτυπώματος των μικροβιακών κοινοτήτων, της ποικιλομορφίας τους και του μεταβολικού/οικολογικού τους ρόλου στη λειτουργία του οικοσυστήματος.

Η μεταγονιδιωματική μας επέτρεψε να πραγματοποιήσουμε μια εις βάθος ανάλυση μικροβιακών κοινοτήτων που κατοικούν σε ιζήματα από πολικά και υποπολικά παράκτια περιβάλλοντα στο βόρειο και νότιο ημισφαίριο, με διαφορετικά επίπεδα ανθρώπινης επίδρασης. Αυτό ήταν το αποτέλεσμα ενός έργου στο οποίο συμμετείχαν διάφορες ερευνητικές ομάδες από την Αργεντινή, τις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Νορβηγία και τη Σουηδία, οι οποίες ανάκτησαν συντονισμένα δείγματα ιζημάτων που υποβλήθηκαν περαιτέρω σε άμεση εξαγωγή DNA και σε μεγάλη κλίμακα προσδιορισμό αλληλουχίας συγκεκριμένων γονιδίων ή ολόκληρου του μεταγονιδιώματος (κυνηγετικό όπλο αλληλουχία). Το Joint Genome Institute και η διεθνής πρωτοβουλία για τη μικροβιακή ποικιλότητα Earth Microbiome Project (EMP) συνέβαλαν στη δημιουργία των δεδομένων της αλληλουχίας.

Επιλεγμένες τοποθεσίες δειγματοληψίας για ανακατασκευή μεταγονιδιώματος σε παράκτιες περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους του κόσμου. Συνολικά είκοσι τέσσερα δείγματα, αποτελούμενα από τριπλούν που ελήφθησαν σε δύο θέσεις σε καθεμία από τις τέσσερις επιλεγμένες περιοχές, ελήφθησαν για αυτήν τη μελέτη. Οι περιλαμβανόμενες περιοχές στο βόρειο ημισφαίριο ήταν το Advent Fjord, στο απομακρυσμένο Αρχιπέλαγος Svalbard και η Βαλτική Θάλασσα. Ο κόλπος Ushuaia, στο νοτιότερο άκρο της Νότιας Αμερικής, και ο Potter Cove, που βρίσκεται σε ένα νησί δίπλα στην χερσόνησο της Ανταρκτικής, δειγματοληπτήθηκαν στο νότιο ημισφαίριο.

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι οι μικροβιακές κοινότητες που κατοικούν σε ψυχρά παράκτια ιζήματα είναι από τις πιο διαφορετικές στη Γη, με την ποικιλομορφία τους να είναι συγκρίσιμη με αυτή που βρίσκεται στα εδάφη και στα τροπικά δάση. Οι κύριες μεταβολικές λειτουργίες αυτών των κοινοτήτων χαρτογραφήθηκαν και ανακατασκευάστηκαν, αναλύοντας τις αλληλουχίες γονιδίων τους με βιοπληροφορικές σωληνώσεις και συγκρίνοντάς τις με αυτές που είναι ήδη διαθέσιμες σε δημόσιες βάσεις δεδομένων. Μεταξύ των αποκαλυπτόμενων μεταβολικών ικανοτήτων, βρέθηκε μια εξαιρετικά ποικιλόμορφη σειρά γονιδίων για την αποδόμηση των ρύπων που προέρχονται από το πετρέλαιο. Αυτά τα γονίδια κωδικοποιήθηκαν για ένζυμα που στοχεύουν διάφορα υποστρώματα (διαφορετικά είδη υδρογονανθράκων) και ικανά να λειτουργούν σε διαφορετικές συνθήκες (αερόβιες ή αναερόβιες), υπογραμμίζοντας τον σημαντικό ρόλο αυτών των κοινοτήτων στον έλεγχο της ρύπανσης σε αυτό το ευάλωτο περιβάλλον. Επιπλέον, ορισμένοι τύποι βακτηρίων που μειώνουν τα θειικά και γονίδια αναερόβιας αποδόμησης βρέθηκαν να συσχετίζονται με την οργανική ρύπανση (ήταν πιο άφθονα σε μολυσμένες τοποθεσίες), γεγονός που υποδηλώνει ότι η αναερόβια αποικοδόμηση υδρογονανθράκων είναι μια βασική διαδικασία στα ψυχρά ιζήματα.

Αυτό το ολοκληρωμένο μεταγονιδιωματικό σύνολο δεδομένων ήταν το πρώτο που δημιουργήθηκε από παράκτια ιζήματα περιβαλλόντων υψηλού γεωγραφικού πλάτους και ήταν το σημείο εκκίνησης αυτής και άλλων μελετών μικροβιακής οικολογίας, όπως η ανάλυση των δυνατοτήτων των μικροοργανισμών για ανακύκλωση άνθρακα που προέρχεται από φύκια (δημοσιεύτηκε στο Environmental Microbiology (doi:10.1111/1462-2920.13433).Επιπλέον, πολλά από τα γονίδια που βρέθηκαν σε αυτά τα μεταγονιδιώματα θα μπορούσαν να κωδικοποιήσουν ένζυμα με ενδιαφέρουσες βιοτεχνολογικές εφαρμογές όπως η πράσινη χημεία (δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Marine Drugs, doi:104141m). .

Η μελέτη, Μεταγονιδιωματική ανάλυση των υποπαλιρροϊκών ιζημάτων από πολικά και υποπολικά παράκτια περιβάλλοντα υπογραμμίζει τη συνάφεια των διαδικασιών αποδόμησης αναερόβιων υδρογονανθράκων , δημοσιεύτηκε στο Journal Microbial Ecology (doi:10.1007/s00248-017-1028-5). Οι ερευνητές που συνέβαλαν σε αυτήν την εργασία ήταν οι:Fernando Espínola, Mariana Lozada και Hebe M. Dionisi (Centro para el Estudio de Sistemas Marinos, CONICET, Αργεντινή), Walter P. Mac Cormack (Instituto Antártico Argentino), Janet K. Jansson και Colin J. Brislawn (Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού, ΗΠΑ), Sharon Borglin (Εθνικό Εργαστήριο Μπέρκλεϋ, ΗΠΑ), JoLynn Carroll (Ερευνητικό Κέντρο για την Εξερεύνηση Πετρελαίου της Αρκτικής, Πανεπιστήμιο της Αρκτικής της Νορβηγίας, Νορβηγία) και Sara Sjöling (Σχολή Φυσικών Επιστημών και Περιβαλλοντικών Σπουδών, Πανεπιστήμιο Söddertörn, Σουηδία).