Ядро мікробіому морського акваріума – AquaBiomics
Без кейворду
Основний мікробіом морського акваріума
Що входить до складу мікробіома морського акваріума?
Акваріумісти давно знають, що мікроби відіграють важливу роль у наших акваріумах, але до недавнього часу не могли безпосередньо виміряти мікробні спільноти у своїх акваріумах. Щоб краще зрозуміти ці мікробні спільноти, я об’єднався з групою місцевих любителів та виробників коралів, щоб відібрати зразки мікробних спільнот у найрізноманітніших акваріумах. У своїй новій лабораторії в AquaBiomics я використовував секвенування ДНК для ідентифікації різних видів мікробів, присутніх в кожному резервуарі, і вимірювання їх відносної чисельності. Порівнюючи ці спільноти в різних акваріумах, я визначив основний набір сімейств, знайдених майже у всіх відібраних нами акваріумах. Моя мета в цьому звіті – представити ці родини мікробів для акваріумістів, зацікавлених дізнатися більше про мікробів, що живуть у їхніх власних акваріумах.
Як секвенування ДНК використовується для вивчення мікробіому
Для цього дослідження мої співробітники відібрали зразки морської води з декількох акваріумів, використовуючи спеціальні набори для відбору проб, які я надав, а потім відправили зразки назад до моєї лабораторії в AquaBiomics. Загалом ми відібрали зразки з 20 акваріумів, якими керували 7 осіб, починаючи від домашніх акваріумів і закінчуючи об’єктами коралової аквакультури. Ми вирішили відібрати зразки мікробних популяцій у воді, тому що їх можна більш послідовно відбирати в різних акваріумах, ніж інші стратегії (наприклад, пісок, камінь і т.д.) Я розглядаю це як аналог відбору зразків крові пацієнта для діагностики проблем з серцем або печінкою. Наш підхід підтримується нещодавнім дослідженням, яке показало, що зразки води ідеально підходять для вимірювання порушень екосистеми на природних коралових рифах. Дуже мало (ймовірно <1%) of microbes can be grown in culture, so many researchers now use DNA sequencing to study these communities. I extracted DNA from each sample, and sequenced a genetic marker called 16S that’s been widely used for studies of microbial communities in natural habitats. To ensure that we sampled the community deeply enough to detect rare microbes, I analyzed about 10,000 DNA sequences per sample. By comparing these sequences with public databases, I identified the type of microbe from which each DNA sequence was extracted, and counted these sequences to evaluate the relative abundance of each type.
Створені акваріуми з морською водою підтримують різноманітне мікробне співтовариство
Ці дані показали, що вода, яка циркулює в типовому морському акваріумі, містить складну суміш із сотнями різних видів мікробів. У нашому дослідженні аматорських та аквакультурних систем ми виявили в середньому 400 різних видів на один акваріум. Різниця між акваріумами була вражаючою; найрізноманітніший з відібраних нами акваріумів містив більш ніж у 7 разів більше типів мікробів, ніж найменш різноманітний. Більшість акваріумів (80%) містили щонайменше 300 типів мікробів, але деякі містили набагато менше (Рис. 2). Чому таке різноманіття має значення? Зрештою, як акваріумістів нас не дуже цікавлять назви мікробів, нас цікавить те, що вони можуть зробити для нас. Класифікація кожного мікроба на рівні сімейства показує, що сотні різних типів в кожному зразку представляють велику кількість різних сімейств (в середньому 90 різних сімейств на зразок). Ці родини мають різну, характерну метаболічну активність і відіграють різну роль в природі і, ймовірно, в наших акваріумах. Отже, ця різноманітність – не просто питання послідовностей ДНК; різні види мікробів роблять різні речі. Акваріумісти часто сперечаються про те, що робить акваріум “зрілим”. З точки зору мікробіології, наш аналіз встановлених, зрілих морських акваріумів встановлює цільовий діапазон мікробного різноманіття, забезпечуючи об’єктивну метрику для визначення зрілості нового акваріума.
У мікробіомі акваріумної води домінують кілька сімейств
На додаток до визначення видів мікробів, присутніх у кожному зразку, секвенування ДНК надає інформацію про відносну поширеність кожного типу (іншими словами, співвідношення між різними типами). Цей аналіз показав, що відносно короткий список родин становить більшу частину мікробіому акваріумної води (рис. 3).
Ці спостереження демонструють, що існує основний мікробіом, характерний для зрілих морських акваріумів. Ці родини були присутні майже в кожному відібраному нами акваріумі і складали відносно велику частку спільноти в кожному акваріумі. Порушення цього основного мікробіому може сприяти виникненню незрозумілих проблем, таких як зниження якості води, неприємні водорості, хвороби коралів або риб. Щоб визначити основний мікробіом морського акваріума, ми зосередилися на наборі з 19 сімейств, кожне з яких становило в середньому щонайменше 1% спільноти. Разом ці “ключові” родини становили 73% від загальної чисельності спільноти. Дві з них були особливо численними (Pelagibacteraceae та Flavobacteriaceae), на кожну з яких припадало близько 16% всього угруповання (рис. 3). Інші “неосновні” родини (158) були присутні в меншій кількості резервуарів і на дуже низькому рівні (в середньому 0,17% спільноти). У решті цієї статті ми зосередимося на описі цих основних родин, на які припадає більша частина мікробіому води майже у всіх відібраних нами резервуарах.
19 мікробних родин в основному мікробіомі акваріума
Кожна з цих основних родин описана в наступній таблиці. Ці описи зосереджені на морських членах кожної родини, коли була доступна конкретна інформація про морські групи. (Примітка: якщо ця таблиця погано відображається на Вашому мобільному пристрої, розгляньте можливість переходу на версію сайту для настільних комп’ютерів, щоб переглянути цю таблицю).
Таблиця 1
Мікробні родини основного мікробіому морських акваріумів.
| Родина | Опис | Метаболічні можливості | Екологічні ролі та реакції | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Флавобактерії (Flavobacteriaceae) | Грамнегативні, паличкоподібні, нерухомі або ковзаючі бактерії (Bacteroidetes) | Загалом аеробні та хемогетеротрофні | Найрізноманітніша родина в Bacteroidetes; зустрічається практично у всіх середовищах існування. Спеціалізуються на розщепленні полісахаридів та білків. Часто є найчисленнішою групою у водних біотопах. Часто пов’язані з поверхнями, включаючи тварин, макроводорості або детрит. |
| 2 | Pelagibacteraceae | Грамнегативні, паличкоподібні, вільноживучі бактерії (Альфапротеобактерії) | Аеробні та хемогетеротрофні | Раніше називалася SAR11, вважається найпоширенішою групою бактерій в океані в усьому світі. Добре пристосовані до життя у водах відкритого океану з низьким вмістом поживних речовин. Для росту потребують відновлених сполук сірки, гліцину та розчиненого органічного вуглецю. |
| 3 | Родобактеріальні (Rhodobacteraceae) | Грамнегативні бактерії (Альфапротеобактерії), переважно паличкоподібні, деякі вільноживучі | Переважно аеробні та хемогетеротрофні, деякі фотогетеротрофні | Надзвичайно різноманітні, широко розповсюджені та дуже численні в морських біотопах, включаючи відкритий океан, відкладення та біоплівки водоростей. Розкладають сірковмісні сполуки (наприклад, сульфіт, DMSP). Багато з них використовують метильовані аміни (МА) як первинне джерело азоту. |
| 4 | Вібріони (Vibrionaceae) | Грамнегативні, рухливі, бактерії (гаммапротеобактерії); вигнуті або прямі паличкоподібні | Аеробні або анаеробні; хемогетеротрофні, фотоавтотрофні або хемоавтотрофні; деякі біолюмінесцентні. | Широко поширені в морських біотопах, включаючи багато асоціацій з тваринами. Ця родина включає багато патогенних мікроорганізмів людини або тварин, в тому числі бактерії, які можуть викликати ранову інфекцію від контакту із забрудненою водою. |
| 5 | Alteromonadaceae | Грамнегативні, паличкоподібні, рухливі бактерії (гаммапротеобактерії) | Аеробні та хемогетеротрофні | Широко спостерігаються у зразках морської води. Можуть використовувати широкий спектр розчинених поживних речовин, включаючи цукри та амінокислоти, і цвітуть в умовах високого вмісту глюкози. |
| 6 | Кріоморфні (Cryomorphaceae) | Грамнегативні, паличкоподібні або ниткоподібні бактерії (Bacteroidetes). Нерухомі або ковзаючі. | Аеробні або факультативно аеробні; хемогетеротрофні. | Переважно морські мікроби, з деякими прісноводними представниками. Як правило, пов’язані з поверхнею. Не є первинними деструкторами, але беруть участь у вторинному виробництві. Метаболізує амінокислоти та інші органічні кислоти. Поживні потреби залишаються погано визначеними, але підтримуються органічними екстрактами (наприклад, дріжджами). |
| 7 | Океаноспірили (Oceanospirillaceae) | Грамнегативні, спіралеподібні або паличкоподібні, рухливі бактерії (гаммапротеобактерії) | Аеробні та хемогетеротрофні | Майже виключно морські. Росте на амінокислотах, інших органічних кислотах та аміаку. Входить до складу біоплівкових угруповань, ріст стимулюється збагаченням поживними речовинами (C, N та P). |
| 8 | Псевдоальтеромонадні (Pseudoalteromonadaceae) | Грамнегативні, паличкоподібні або круглі, рухливі бактерії (гаммапротеобактерії) | Аеробні та хемогетеротрофні | Екологічно важливі в широкому спектрі морських біотопів. Продукують різноманітні біологічно активні сполуки, в тому числі багато антимікробних та антивірусних сполук. Відіграє важливу роль у формуванні формаліну біоплівок. Може пригнічувати утворення та ріст водоростей. Високомолекулярні РОР сприяють зростанню цього сімейства. |
| 9 | Mycobacteriaceae | Несправжні грампозитивні або грамнегативні, паличкоподібні, нерухомі бактерії (актинобактерії) | Аеробні; переважно хемогетерофільні | Росте на різноманітних простих цукрах, спиртах або вуглеводнях. Зростанню сприяє додавання жирних кислот. Як правило, не є патогенними або симбіотичними, але включає декілька дуже важливих патогенів людини (проказа, туберкульоз). Включає пов’язаний з акваріумами патоген M. marinum (“риб’яча гранульома”). |
| 10 | Фузобактерії (Fusobacteriaceae) | Грамнегативні, паличкоподібні або круглі, нерухомі бактерії (фузобактерії) | Анаеробні або мікроаерофільні, хемогетеротрофні | Зустрічається в різних середовищах існування. Ферментує органічні поживні речовини, включаючи вуглеводи, амінокислоти та пептиди. Знаходиться в осадових породах і асоціюється з тваринами. |
| 11 | Hyphomicrobiaceae | Грамнегативні бактерії (альфапротеобактерії) з клітинами від округлої до паличкоподібної форми, деякі рухливі. | Включає хемогетеротрофні, метилотрофні, хемолітоавтотрофні та фотосинтезуючі | Зустрічається практично у всіх біотопах. Росте на органічних кислотах і цукрах. |
| 12 | Сапроспіральні (Saprospiraceae) | Грамнегативні паличкоподібні бактерії (Bacteroidetes), деякі демонструють ковзаючу рухливість | Аеробні та хемогетеротрофні | Переважно морські, деякі прісноводні. Зазвичай пов’язані з відкладеннями, багатоклітинними організмами або іншими поверхнями. Здатні розщеплювати складні макромолекули (наприклад, полісахариди, білки) і живитися ними. Деякі з них полюють на інші бактерії або водорості, що свідчить про роль цієї групи в контролі росту водоростей на поверхнях. |
| 13 | Bacteriovoracaceae | Грамнегативні, паличкоподібні, рухливі бактерії (дельтапротеобактерії) | Аеробні або анаеробні; хемогетеротрофні | Широко поширені у водних та наземних екосистемах. Обов’язкові хижаки інших грамнегативних бактерій. Відіграють важливу роль у контролі розміру та різноманітності мікробних спільнот. |
| 14 | Бацили (Bacillaceae) | Грампозитивні, паличкоподібні, рухливі бактерії (Firmicutes) | Аеробні або анаеробні; хемогетеротрофні | Найстійкіша і найбільш поширена група бактерій. Спороутворюючі. Зустрічаються у водних і наземних середовищах існування, часто в асоціації з рослинами або тваринами. Переважно сапрофіти. Відіграє важливу роль у кругообігу поживних речовин. Здатна розкладатися і жити на складних макромолекулах або простих цукрах. Швидко цвіте у відповідь на додавання поживних речовин. |
| 15 | Полум’яновірусні (Flammeovirgaceae) | Грамнегативні, паличкоподібні бактерії (Bacteroidetes) | Аеробні або анаеробні; хемогетеротрофні | Зустрічається як у наземних, так і у водних середовищах існування. Зазвичай спостерігається в морських відкладеннях. Інформація про їхню активність обмежена. |
| 16 | Piscirickettsiaceae | Грамнегативні, паличкоподібні, бактерії (гаммапротеобактерії), деякі рухливі | Аеробні та хемогетеротрофні | Різноманітна група з широким спектром діяльності. Включає метилотрофні бактерії, що відіграють важливу роль у кругообігу вуглецю, та рибний патоген Piscirickettsia salmonis |
| 17 | Cenarchaeaceae | Круглі або паличкоподібні археї (Thaumarchaeota), деякі рухливі | Аеробні, хемоавтотрофні | Зустрічається практично у всіх біотопах, включаючи екстремальні умови. Важлива аміакоокислювальна діяльність, особливо коли рівень аміаку низький; аміакоокислювальні археї споживають більше аміаку, ніж АОБ. |
| 18 | Comamonadaceae | Грамнегативні, круглі або паличкоподібні бактерії (бетапротеобактерії), деякі рухливі | Як правило, аеробні гетеротрофи; багато винятків | Велика і різноманітна група, яка включає широкий спектр способів життя. Зустрічається у зразках ґрунту та води з широкого спектру середовищ існування, а також в асоціації з рослинами або тваринами. Більшість є вільноживучими сапрофітами. Деякі ростуть автотрофно на водні або нітратах. |
| 19 | Marinicellaceae | Грамнегативні, паличкоподібні, нерухомі бактерії (гаммапротеобактерії) | Аеробні та хемогетеротрофні | Нещодавно описана родина, що зустрічається у зразках морської води. Мало інформації про її екологічну роль. Для росту потребує солі та органічних поживних речовин (наприклад, гідролізованих білків). |
Мікроби, що представляють особливий інтерес для акваріумістів
На початку проекту ми визнали, що існує кілька груп мікробів, які можуть зацікавити акваріумістів. До них відносяться мікроби з відомою роллю в переробці поживних речовин, неприємні “водорості” (ціанобактерії) та патогенні мікроорганізми. Ми перевіряли ці групи в кожному зразку незалежно від їхньої кількості, вважаючи, що акваріумісти хотіли б знати, чи є в їхніх акваріумах хоча б одна послідовність ДНК патогенних мікроорганізмів.
Таблиця 2
Середня чисельність мікробних груп, що представляють інтерес, в типовому морському акваріумі.
| Група | Знайдено видів | Середнє значення % спільноти |
|---|---|---|
| Аміакоокислюючі бактерії | Nitrosomonadaceae, Nitrosococcus | 0.67% |
| Аміакоокислюючі археї | Cenarchaeaceae | 0.85% |
| Нітритоокислюючі бактерії | Nitrobacter, Nitrospinaceae, Nitrospiraceae | 0.14% |
| Ціанобактерії | […] | […] |
| […] | […] | […] |
| […] | […] | […] |
Як і очікувалося для морських акваріумів зі зрілими мікробними біоплівками, ми знайшли чіткі докази існування мікробних груп, здатних переробляти аміак в нітрити, а нітрити – в нітрати. Аміакоокислювальна спільнота включала як аміакоокислювальні археї (АОА), так і аміакоокислювальні бактерії (АОБ). Разом ця група становила в середньому 1,5% мікробіому.
Ці мікроби (АОА та АОБ) були в 11 разів чисельнішими за нітритоокислювальні бактерії (НОБ) у пробах води.
Відносно низька чисельність обох груп у пробах води, ймовірно, є результатом їх зростання як частини біоплівкового співтовариства, а не як вільноживучих членів бактеріопланктону. Хоча наше дослідження показало, що ці групи присутні у пробах води, для підвищення чутливості виявлення цих важливих груп ми згодом додали до протоколу відбору проб етап відбору проб біоплівки.
Середній акваріум в нашому дослідженні містив ціанобактерії (Таблиця 2), хоча вони складали дуже малу частку спільноти в пробах води (0,32%). Ми виявили різні комбінації до шести різних родин у різних акваріумах. Маючи в руках цей діагностичний інструмент, в майбутніх дослідженнях буде цікаво вивчити, як різні родини реагують на різні зусилля з усунення цих неприємних “водоростей”.
Загалом здорові акваріуми, які ми відібрали для цього дослідження, містили дуже мало відомих патогенів. Ми перевірили на наявність 41 різних рибних патогенів і виявили лише 2 типи на низьких рівнях у кількох акваріумах (в середньому 0,07%). В одному з акваріумів був виявлений Photobacterium damselae – збудник фотобактеріозу. Інший резервуар містив Piscirickettsia salmonis, що викликає пісцирікетсіоз у лосося та споріднених риб. Жоден з власників цих акваріумів не повідомив про симптоми у своїх риб, тому ці низькі рівні можуть бути нижчими за пороги, необхідні для спалаху захворювання.
Ми перевірили 9 різних патогенів коралових риб і не знайшли жодних доказів їх наявності в жодному з акваріумів, відібраних для цього дослідження.
В цілому, ці дані демонструють, що відбір проб мікробіому води в морському акваріумі дає уявлення про популяції багатьох мікробних груп, що представляють інтерес для акваріумістів, підтверджуючи наявність мікробів, що переробляють поживні речовини, і відсутність патогенних мікроорганізмів.
Резюме
Це дослідження дає перший погляд на специфічні мікробні спільноти, характерні для домашніх морських акваріумів. Це занадто складний набір даних, щоб повністю підсумувати його в одній статті. Тут я зосередився на сімействах мікробів, присутніх на стабільно високому рівні в різних акваріумах, щоб описати основний мікробіом морського акваріума. Ці дані свідчать про наступне:
-
-
- Вода в типовому рифовому акваріумі містить сотні різних видів мікробів з різноманітними метаболічними можливостями.
- В акваріумному мікробіомі домінує основний набір з 19 сімейств, які відносно поширені в більшості акваріумів.
- Бактерії складають більшу частину акваріумного мікробіому, але невелика кількість архей включає типи, що відіграють важливу роль у переробці поживних речовин
- Відбір проб води морського акваріума дозволяє виявити специфічні корисні мікроби або патогенні мікроорганізми
- Відмінності в метаболічних можливостях і потребах в поживних речовинах в основному мікробіомі морського акваріума дозволяють припустити, що склад мікробіома може впливати на рівень розчинених поживних речовин, і навпаки.
Тепер, коли аналіз акваріумних мікробіомів є легкодоступним, буде цікаво подивитися, що ми дізнаємося про вплив практики акваріумного господарства або добавок на мікробні спільноти в наших акваріумах.
У цій статті було описано середній мікробіом. У наступній я зосереджуся на відмінностях, які ми виявили між акваріумами. Залишайтеся з нами!
Source: aquabiomics.com
-