Метагеномный анализ. Какие микроводоросли помогут очистить сточные воды?

Сотрудники биологического и химического факультетов МГУ использовали нанопоровое секвенирование для изучения динамики сообществ водорослей и бактерий в сточных водах. Работа выполнена в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы (НОШ) МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология».

Результаты работы участников НОШ по этой тематике опубликованы в Journal of Applied Phycology и приняты к печати в журнале «Российские Нанотехнологии».

Благодаря поддержке НОШ МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология» были расширены возможности метагеномного анализа в этом исследовании: в дополнение к «классическому» 16S рРНК-метабаркодингу на платформе второго поколения использовали секвенирование полного метагенома на платформе Oxford Nanopore.

Водорослёво-бактериальные сообщества — неотъемлемая часть любой водной экосистемы. Они также обитают в водоочистных сооружениях, где приносят пользу, участвуя в биологической очистке сточных вод, особенно от попадающих туда избытков фосфатов и нитратов.

Схема взаимодействий водорослей и бактерий в составе водных сообществ

В последнее время обостряется проблема «скрытой селекции» бактерий в сторону устойчивости к антибиотикам под действием различных лекарственных веществ, широко применяемых как в медицинских учреждениях, так и в домашних аптечках. Это не только приводит к снижению эффективности биологической очистки сточных вод, но и несёт потенциальные риски обогащения окружающей среды устойчивыми патогенными организмами.

Сравнение используемых методов показало, что второй даёт больше полезной информации для целей экологического мониторинга. В частности, длинные чтения позволяют точнее определять как эукариотические, так и прокариотические организмы в пробе, что позволяет сделать более однозначные выводы о потенциале такого сообщества. Отдельно необходимо отметить, что метод нанопорового секвенирования имеет высокий потенциал для изучения самых разных аспектов микроводорослевых сообществ, включая их биоразнообразие, механизмы межвидового взаимодействия и коэволюции».

Отбор проб на водоочистных сооружениях (а) и (б) вид биомассы водорослёво-бактериальных сообществ

В ходе исследования образцы альго-бактериальных сообществ из сточных вод обрабатывали антибиотиком (цефтриаксоном) и противовоспалительным нестероидным препаратом (диклофенаком). После проводили комплексное изучение состояния сообществ. Для этого использовали как классические методы экологического мониторинга — микроскопирование, измерение концентрации фосфатов и активности фотосинтеза у фотоавтотрофных организмов, так и метагеномный анализ.

Только с помощью последнего метода было показано, что несмотря на видимое отсутствие влияния лекарств на сообщества микробов в окружающей среде, внутри сообществ протекает скрытый отбор определенных групп микроорганизмов. С одной стороны, идёт развитие микроводорослей из группы Chlorophyta, имеющих высокий потенциал для биологической очистки сточных вод от избытков фосфатов, а с другой стороны среды цианобактерии частично замещаются на потенциально патогенных представителей рода Staphylococcus. В итоге это приводит и к снижению потенциала такого сообщества в плане очистки сточных вод от избытка фосфатов.

Изображения: пресс-служба МГУ