Недавно открытые бактерии помогают поддерживать баланс экосистем
Азот необходим для всего живого на Земле. Крошечные организмы, называемые микробами, помогают сделать азот доступным для всех остальных живых существ. Одна группа микробов, называемая нитрит-окисляющими бактериями (NOB), помогает удалять из окружающей среды избыток азота, который может быть опасен для растений и животных. Однако еще многое предстоит узнать о распространении и функционировании NOB в природе. В лаборатории мы вырастили новые виды NOB из рек. Изучив их ДНК, мы обнаружили, что эти NOB могут получать энергию различными способами и выживать в условиях загрязнения. Похоже, что подобные NOB присутствуют по всей Земле. Изучение NOB поможет нам понять, как изменения в окружающей среде могут повлиять на микробы и среду их обитания.
Микробы необходимы для круговорота азота
Азот важен для всего живого, включая микробы, растения и животных, поскольку он используется для построения клеточных структур, таких как ДНК и белки. Однако большая часть азота содержится в воздухе в виде газа, который не может быть использован растениями и животными. Только некоторые виды микробов могут преобразовывать непригодный для использования азот в формы, которые могут использовать растения и животные. Существует несколько типов микробов, которые могут потреблять и производить различные полезные формы азота. Другие виды микробов превращают эти полезные формы азота обратно в газообразный азот, что позволяет поддерживать баланс азота в экосистеме. Этот цикл, называемый круговоротом азота, непрерывен (подробнее о круговороте азота читайте в статье Frontiers for Young Minds). Микробы играют огромную роль в круговороте азота - без них не было бы достаточно полезного азота для растений и животных. Микробы также могут помочь сбалансировать уровень азота, если в результате деятельности человека в окружающую среду попадает слишком много азота, например, при использовании азотных удобрений. Таким образом, эти микробы необходимы для поддержания жизни и сохранения здоровых экосистем.
Почему важны нитрит-окисляющие бактерии?
Нитрит-окисляющие бактерии (NOB) - это важная группа микробов, участвующих в круговороте азота. NOB потребляют форму азота, называемую нитритом ( NO 2 - ), и превращают ее в другую форму, называемую нитратом ( NO 3 - ). Чрезмерное накопление нитритов может быть токсичным и мешать некоторым организмам использовать кислород должным образом. Производство нитрата важно, потому что это форма азота, которую используют некоторые растения для роста. Нитрат, производимый NOB, также потребляется другими микробами, которые помогают удалять избыток азота из экосистемы. Таким образом, NOB важны для поддержания азотного цикла. Если активность NOB снижается или прекращается из-за стрессовых условий, таких как загрязнение окружающей среды или изменение температуры, то весь азотный цикл в конечном итоге становится несбалансированным (рис. 1). Это приведет к медленному разрушению окружающей среды, в результате чего пострадают растения и животные.
Новый тип азота в реках Колорадо
Изучение различных типов NOB полезно, поскольку каждый тип NOB выполняет уникальные функции и может выживать в уникальных условиях. Таким образом, изучение этих микробов помогает нам понять, какой важный вклад они вносят в различные среды. Нам было интересно узнать, какие типы NOB обитают в реках Колорадо и как они могут помочь сохранить реки здоровыми. Предыдущие исследования показали, что два типа NOB, Nitrobacter и Nitrospira, часто встречаются в реках по всему миру [ 1, 2 ], поэтому мы хотели узнать, встречаются ли они также в реках Колорадо.
Мы собрали речные воды и отложения, привезли их в лабораторию и вырастили в культурах с питательными веществами и условиями (например, температурой), которые необходимы NOB [ 3 ]. Вместо Nitrobacter и Nitrospira мы обнаружили в наших речных культурах четыре новых вида NOB, названных Candidatus Nitrotoga. Префикс "Candidatus" (сокращенно Ca. ) является временным, пока эти NOB не будут официально названы и утверждены определенной группой ученых. Nitrotoga - это название рода, который представляет собой категорию организмов, обладающих общими характеристиками, основанными на их физических особенностях или ДНК. Четыре найденных нами вида (названные в честь районов, в которых они были собраны) имеют отличия друг от друга, которые делают их уникальными.
Мы были удивлены, обнаружив эти новые NOB в наших культурах, поскольку Ca. Nitrotoga ранее находили в основном в сточных водах, осадках и ледниковых почвах [1, 2] - эти организмы никогда не культивировались из естественной пресноводной среды. Поскольку только несколько видов Ca. Nitrotoga были детально изучены, о них еще многое предстоит узнать.
Узнав больше о Ca. Nitrotoga
Мы начали изучать Ca. Nitrotoga, рассматривая его под микроскопом, чтобы определить размеры и форму клеток, и выращивая его в лаборатории, чтобы определить, какие химические и физические условия он предпочитает. Затем мы секвенировали геномы Ca. Nitrotoga, что помогло нам выявить тысячи дополнительных особенностей клеток и открыло таинственный мир внутри микробов, который невозможно было раскрыть с помощью других лабораторных инструментов (подробнее о секвенировании генома читайте в этой статье Frontiers for Young Minds). Ca. Последовательности генов нитротога сравнивались с другими бактериальными генами с известными функциями в поисках совпадений. Генетические совпадения использовались для предсказания того, где может обитать Ca. Nitrotoga могут обитать и какую роль они могут играть в окружающей среде. Последовательности генов дали информацию о структуре клеток, метаболизме и о том, как эти микробы реагируют на стрессы, такие как загрязнение окружающей среды или изменение климата (рис. 2A).
Что делает Ca. Нитротога "ест" и "дышит"?
Представьте себе, что каждый день вы едите только один вид пищи, например, печенье! NOB, включая Ca. Nitrotoga, когда-то считалось, что для получения энергии, необходимой для их роста, движения и других функций, они используют только нитриты. Однако Ca. Nitrotoga (и другие NOB) содержат гены, которые указывают на то, что эти микробы могут использовать и другие источники энергии, такие как сера, водород и органический углерод [3]. Это все равно что возможность "есть" больше видов пищи. Мы знаем, что Ca. Nitrotoga могут "дышать" кислородом для роста, но геномы показали, что они могут выживать и в условиях низкого содержания кислорода [3]. В целом эти данные позволяют предположить, что Ca. Nitrotoga могут "есть" и "дышать" различными соединениями. Бактерии Ca. Nitrotoga по-разному влияют на Землю в зависимости от того, какими соединениями они "питаются" и "дышат". Благодаря такой гибкости эти микробы могут обитать в самых разных местах, и вполне вероятно, что NOB могут продолжать расти даже при смене источников пищи.
Может ли Ca. Nitrotoga выживать в загрязненной среде?
Колорадские ноби живут в реках, загрязненных металлами (такими как золото, медь и мышьяк) и антибиотиками (химическими веществами, которые используются для уничтожения бактериальных инфекций, но могут нанести вред и полезным бактериям). Эти загрязняющие вещества попадают в реки через сточные воды, а также в виде стоков с промышленных предприятий и ферм. Металлы и антибиотики могут быть токсичны для микробов, но геномы Ca. Nitrotoga позволяют предположить, что у этих микробов есть защитные стратегии для защиты от этих вредных веществ [3]. Например, Ca. Nitrotoga может быть способна откачивать металлы и антибиотики обратно за пределы клетки, прежде чем они смогут нанести ей слишком большой ущерб. Ca. Nitrotoga может также преобразовывать металлы и антибиотики в менее токсичные формы, изменяя их химические структуры. Мы проверили это в лаборатории и показали, что речной вид Ca. Nitrotoga продолжали потреблять нитриты в присутствии нескольких антибиотиков [ 4 ]. Эти стратегии, вероятно, помогают Ca. Nitrotoga выживать в среде обитания, загрязненной токсичными металлами и антибиотиками, а значит, они могут продолжать круговорот азота и поддерживать равновесие экосистемы даже в загрязненных условиях.
Где еще обитают Ca. Nitrotoga?
Используя базы данных, содержащие последовательности генов многих микробов, мы обнаружили последовательности, сходные с Ca. Nitrotoga на всех континентах и во многих средах обитания, включая пресную и соленую воду, осадочные породы, почву и очистные сооружения (WWTP) (рис. 2B) [3]. Последовательности Ca. Nitrotoga-подобные последовательности были обнаружены в местах обитания с температурой от 0 до 33°C. В целом, этот анализ расширил диапазон мест, где, по мнению ученых, может обитать Ca. Nitrotoga могут жить. Их гибкий метаболизм и стратегии адаптации, вероятно, помогают этим NOB выживать в различных средах по всему миру.
Уникальны ли геномы речных Ca. Nitrotoga уникальными геномами?
Мы сравнили геномы Ca. Nitrotoga с недавно опубликованными геномами других видов Ca. Nitrotoga, обнаруженных в водоочистных сооружениях в Австрии [ 5 ] и в прибрежных отложениях в Японии [ 6 ]. Все эти виды Ca. Nitrotoga, как и ожидалось, превращают нитрит в нитрат. Интересно, что белок, который все эти виды Ca. Nitrotoga для этого, по-видимому, несколько отличается от других видов NOB, что может влиять на скорость потребления нитрита. Виды Ca. Nitrotoga имеют и другие общие черты с известными видами NOB, например, используют различные способы получения энергии. Некоторые геномы Ca. Nitrotoga имели гены, используемые для создания жгутика (хвостоподобной структуры, которая помогает бактериям двигаться), а другие - нет. Многие геномы Ca. Nitrotoga содержали защитные механизмы для выживания в стрессовых условиях, но у каждого вида были и уникальные защитные механизмы для борьбы со специфическими стрессами. Изучение сходства между геномами Ca. Nitrotoga помогает ученым понять, как NOB растут и процветают, в то время как изучение различий показывает, как отдельные виды адаптируются к конкретной среде обитания.
Итак, теперь вы знаете!
В общем, NOB важны, поскольку помогают поддерживать здоровые экосистемы. В ходе нашего исследования мы обнаружили новые виды NOB в реках Колорадо, вырастили их в лаборатории и секвенировали их геномы. Данные о последовательности геномов помогли нам лучше понять, как эти бактерии могут функционировать в окружающей среде и выживать в стрессовых условиях. Например, они могут продолжать круговорот азота даже в условиях загрязнения антибиотиками. Сравнение с другими близкородственными бактериями показало некоторые сходства и некоторые различия. В целом наша работа подчеркивает, почему ученые должны продолжать изучать NOB, чтобы узнать, как эти микробы функционируют в различных средах обитания по всей Земле.
