Без кейворда

Основной микробиом морского аквариума

Что находится в микробиоме морского аквариума?

Аквариумисты давно знали, что микробы играют важную роль в наших аквариумах, но до недавнего времени не могли напрямую измерить микробные сообщества в своих аквариумах. Чтобы лучше понять эти микробные сообщества, я объединился с группой местных любителей и коралловодов, чтобы взять пробы микробных сообществ в самых разных аквариумах. В своей новой лаборатории в AquaBiomics я использовал секвенирование ДНК для идентификации различных видов микробов, присутствующих в каждом аквариуме, и измерения их относительной численности. Сравнивая эти сообщества в разных аквариумах, я выявил основной набор семейств, встречающихся почти во всех аквариумах, где мы брали пробы. Моя цель в этом отчете – представить эти семейства микробов аквариумистам, заинтересованным узнать больше о микробах, живущих в их собственных аквариумах.

Как секвенирование ДНК используется для изучения микробиома

Для этого исследования мои сотрудники отобрали пробы морской воды из нескольких аквариумов, используя предоставленные мной наборы для отбора проб, а затем отправили образцы в мою лабораторию AquaBiomics. В общей сложности мы отобрали пробы из 20 аквариумов, которыми управляли 7 человек, начиная от домашних аквариумов и заканчивая аквариумами для выращивания кораллов. Мы выбрали для отбора проб микробные популяции в воде, потому что они могут быть взяты более последовательно в разных аквариумах, чем при других стратегиях (например, на песке, камнях и т.д.) Я рассматриваю это как аналог отбора проб крови пациента для диагностики проблем с сердцем или печенью. Наш подход подкрепляется недавним исследованием, которое показало, что пробы воды идеально подходят для измерения нарушений экосистемы на естественных коралловых рифах. Очень немногие (вероятно <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.

Устоявшиеся морские аквариумы поддерживают разнообразные микробные сообщества

Эти данные показали, что вода, циркулирующая в типичном морском аквариуме, содержит сложную смесь с сотнями различных видов микробов. При обследовании аквариумов любителей и систем аквакультуры мы обнаружили в среднем 400 различных видов микробов в каждом аквариуме. Различия между аквариумами были поразительными: самый разнообразный аквариум, который мы исследовали, содержал более чем в 7 раз больше видов микроорганизмов, чем наименее разнообразный. В большинстве аквариумов (80%) содержалось не менее 300 видов микроорганизмов, но в некоторых – гораздо меньше (рис. 2). Почему такое разнообразие имеет значение? В конце концов, как аквариумистов нас интересуют не столько названия микробов, сколько то, что они могут сделать для нас. Классификация каждого микроба на уровне семейства показала, что сотни различных видов в каждом образце представляют большое количество различных семейств (в среднем 90 различных семейств на образец). Эти семейства обладают различной, характерной метаболической деятельностью и играют различные роли в природе и, предположительно, в наших аквариумах. Таким образом, это разнообразие – не просто вопрос последовательностей ДНК; разные виды микробов делают разные вещи. Аквариумисты часто спорят о том, что делает аквариум “зрелым”. С микробной точки зрения, наш анализ устоявшихся, зрелых аквариумов с морской водой устанавливает целевой диапазон микробного разнообразия, обеспечивая объективную метрику для определения зрелости нового аквариума.

В микробиоме аквариумной воды доминируют несколько семейств

Помимо определения видов микробов, присутствующих в каждом образце, секвенирование ДНК дает информацию об относительной численности каждого вида (другими словами, соотношение между различными видами). Этот анализ показал, что большинство микробиома аквариумной воды приходится на относительно короткий список семейств (рис. 3).

Эти наблюдения показывают, что существует ядро микробиома, характерное для зрелых морских аквариумов. Эти семейства присутствовали почти в каждом аквариуме, где мы брали пробы, и составляли относительно большую часть сообщества в каждом аквариуме. Нарушение этого основного микробиома может способствовать возникновению таких необъяснимых проблем, как снижение качества воды, появление неприятных водорослей, болезни кораллов и рыб. Чтобы определить ядро микробиома морских аквариумов, мы сосредоточились на наборе из 19 семейств, каждое из которых составляло в среднем не менее 1% сообщества. Вместе эти “основные” семейства составляли 73% всего сообщества. Два из них были особенно многочисленными (Pelagibacteraceae и Flavobacteriaceae), каждое из которых составляло около 16% всего сообщества (рис. 3). Остальные “неосновные” семейства (158) присутствовали в меньшем количестве аквариумов и на очень низком уровне (в среднем 0,17% сообщества). В оставшейся части этой статьи мы сосредоточимся на описании этих основных семейств, которые составляют большинство микробиома воды почти во всех резервуарах, где мы брали пробы.

19 семейств микроорганизмов в основном микробиоме аквариума

Описание каждого из этих основных семейств представлено в следующей таблице. Эти описания сосредоточены на морских членах каждого семейства, когда была доступна конкретная информация о морских группах. (Примечание: если эта таблица плохо отображается на вашем мобильном устройстве, перейдите на настольную версию сайта для просмотра этой таблицы).

Таблица 1

Семейства микроорганизмов основного микробиома морских аквариумов.

Семейство	Описание	Метаболические возможности	Экологические роли и реакции
1	Flavobacteriaceae	Грамотрицательные, палочковидные, неподвижные или скользящие бактерии (Bacteroidetes)	Как правило, аэробные и хемогетеротрофные	Самое разнообразное семейство в Bacteroidetes; встречается практически во всех средах обитания. Специализируются на разложении полисахаридов и белков. Часто являются самой многочисленной группой в водной среде обитания. Часто ассоциируется с поверхностями, включая животных, макроводоросли или детрит.
2	Pelagibacteraceae	Грамотрицательные, палочковидные, свободноживущие бактерии (Alphaproteobacteria).	Аэробные и хемогетеротрофные	Ранее называвшаяся SAR11, эта группа бактерий считается самой многочисленной в океане во всем мире. Хорошо приспособлены к жизни в водах открытого океана с низким содержанием питательных веществ. Для роста им необходимы восстановленные соединения серы, глицин и растворенный органический углерод.
3	Rhodobacteraceae	Грамотрицательные бактерии (Alphaproteobacteria), в основном палочковидные, некоторые свободноживущие.	В основном аэробные и хемогетеротрофные, некоторые фотогетеротрофные	Чрезвычайно разнообразны, широко распространены и очень многочисленны в морской среде обитания, включая открытый океан, отложения и водорослевые биопленки. Разлагают серосодержащие соединения (например, сульфит, DMSP). Многие используют метилированные амины (МА) в качестве основного источника азота.
4	Vibrionaceae	Грамотрицательные, подвижные, бактерии (Gammaproteobacteria); изогнутые или прямые палочковидные.	Аэробные или анеробные; хемогетеротрофные, фотоавтотрофные или хемоавтотрофные; некоторые биолюминесцентные.	Широко распространены в морской среде обитания, включая многие ассоциации с животными. К этому семейству относятся многие патогены человека и животных, включая бактерии, которые могут вызвать раневую инфекцию при контакте с загрязненной водой.
5	Alteromonadaceae	Грамотрицательные, палочковидные, подвижные бактерии (Gammaproteobacteria).	Аэробные и хемогетеротрофные	Широко наблюдаются в образцах морской воды. Могут использовать широкий спектр растворенных питательных веществ, включая сахара и аминокислоты, и цветут в условиях высокого содержания глюкозы.
6	Cryomorphaceae	Грамотрицательные, палочковидные или нитевидные бактерии (Bacteroidetes). Неподвижные или скользящие.	Аэробные или факультативно анеробные; хемогетеротрофные.	Преимущественно морские микробы, с некоторыми пресноводными представителями. Как правило, обитают на поверхности. Не являются первичными разлагателями, но участвуют во вторичном производстве. Метаболизируют аминокислоты и другие органические кислоты. Питательные потребности остаются плохо определенными, но поддерживаются органическими экстрактами (например, дрожжами).
7	Oceanospirillaceae	Грамотрицательные, спиралевидные или палочковидные, подвижные бактерии (Gammaproteobacteria).	Аэробные и хемогетеротрофные	Почти исключительно морские. Растет на аминокислотах, других органических кислотах и аммиаке. Вносит вклад в сообщества биопленок, а рост стимулируется обогащением питательными веществами (C, N и P).
8	Pseudoalteromonadaceae	Грамотрицательные, палочковидные или круглые, подвижные бактерии (Gammaproteobacteria).	Аэробные и хемогетеротрофные	Экологически важны в широком разнообразии морских сред обитания. Продуцируют разнообразные биологически активные соединения, включая многие противомикробные и противовирусные соединения. Играет важную роль в формировании биопленок. Может ингибировать образование и рост водорослей. Высокомолекулярные DOM способствуют росту этого семейства.
9	Mycobacteriaceae	Не являются истинно грамположительными или отрицательными, палочковидные, неподвижные бактерии (Actinobacteria)	Аэробные; в основном хемогетеророфильные	Растет на различных простых сахарах, спиртах или углеводородах. Росту способствует добавление жирных кислот. Обычно не являются патогенными или симбиотическими, но включают несколько очень важных патогенов человека (проказа, туберкулез). Включает патоген M. marinum (“гранулема рыбных аквариумов”), связанный с аквариумами.
10	Fusobacteriaceae	Грамотрицательные, палочковидные или круглые, неподвижные бактерии (Fusobacteria).	Анаэробные или микроаэрофильные, хемогетеротрофные.	Встречается в различных средах обитания. Ферментируют органические питательные вещества, включая углеводы, аминокислоты и пептиды. Находятся в отложениях и ассоциируются с животными.
11	Hyphomicrobiaceae	Грамотрицательные бактерии (Alphaproteobacteria) с круглыми или палочковидными клетками, некоторые подвижны.	Включают хемогетеротрофные, метилотрофные, хемолитоавтотрофные и фотосинтезирующие.	Встречается практически в любой среде обитания. Растет на органических кислотах и сахарах.
12	Saprospiraceae	Грамотрицательные палочковидные бактерии (Bacteroidetes), некоторые демонстрируют скользящую подвижность.	Аэробные и хемогетеротрофные	Преимущественно морские, некоторые пресноводные. Обычно ассоциируются с отложениями, многоклеточными организмами или другими поверхностями. Способны расщеплять сложные макромолекулы (например, полисахариды, белки) и жить на них. Некоторые из них питаются другими бактериями или водорослями, что позволяет предположить роль этой группы в контроле роста водорослей на поверхностях.
13	Bacteriovoracaceae	Грамотрицательные, палочковидные, подвижные бактерии (Deltaproteobacteria).	Аэробные или анеробные; хемогетеротрофные	Широко распространены в водных и наземных экосистемах. Обязательные хищники других грамотрицательных бактерий. Играют важную роль в контроле размера и разнообразия микробного сообщества.
14	Bacillaceae	Грамположительные, палочковидные, подвижные бактерии (Firmicutes).	Аэробные или анаэробные; хемогетеротрофные	Самая выносливая и широко распространенная группа бактерий. Спорообразующие. Встречаются в водной и наземной среде обитания, часто в ассоциации с растениями или животными. Преимущественно сапрофитные. Играет важную роль в круговороте питательных веществ. Способны разлагать и жить на сложных макромолекулах или простых сахарах. Быстро цветет в ответ на добавление питательных веществ.
15	Flammeovirgaceae	Грамотрицательные палочковидные бактерии (Bacteroidetes).	Аэробные или анаэробные; хемогетеротрофные	Встречаются как в наземных, так и в водных средах обитания. Обычно наблюдаются в морских отложениях. Об их активности имеется мало информации.
16	Piscirickettsiaceae	Грамотрицательные, палочковидные, бактерии (гаммапротеобактерии), некоторые подвижные	Аэробные и хемогетеротрофные	Разнообразная группа с широким спектром деятельности. Включает метилотрофные бактерии, играющие важную роль в углеродном цикле, и патогенную для рыб бактерию Piscirickettsia salmonis
17	Cenarchaeaceae	Круглые или палочковидные археи (Thaumarchaeota), некоторые подвижные	Аэробные, хемоавтотрофные	Встречаются практически во всех местах обитания, включая экстремальные среды. Важная деятельность по окислению аммиака, особенно при низком уровне аммиака; аммиачнокислые археи потребляют больше аммиака, чем AOB.
18	Comamonadaceae	Грамотрицательные, круглые или палочковидные бактерии (Betaproteobacteria), некоторые подвижные.	Как правило, аэробные гетеротрофные; много исключений	Большая и разнообразная группа, включающая широкий спектр образов жизни. Встречается в образцах почвы и воды из широкого спектра мест обитания, а также в ассоциации с растениями или животными. Большинство из них являются свободноживущими сапрофитами. Некоторые растут автотрофно на водороде или нитратах.
19	Marinicellaceae	Грамотрицательные, палочковидные, неподвижные бактерии (Gammaproteobacteria).	Аэробные и хемогетеротрофные	Недавно описанное семейство, встречающееся в образцах морской воды. Имеется мало информации о его экологической роли. Для роста требуется соль и органические питательные вещества (например, гидролизованные белки).

Микробы, представляющие особый интерес для аквариумистов

В начале проекта мы поняли, что существует несколько групп микробов, которые будут интересны аквариумистам. К ним относятся микробы с известной ролью в переработке питательных веществ, надоедливые “водоросли” (цианобактерии) и патогены. Мы проверяли наличие этих групп в каждом образце, независимо от их численности, полагая, что аквариумисты хотели бы знать, есть ли в их аквариумах хотя бы одна последовательность ДНК патогена.

Таблица 2

Средняя численность интересующих нас групп микроорганизмов в типичном морском аквариуме.

Группа	Обнаруженные типы	Средний % сообщества
Аммиак-окисляющие бактерии	Nitrosomonadaceae, Nitrosococcus	0.67%
Аммиак-окисляющие археи	Cenarchaeaceae	0.85%
Нитрит-окисляющие бактерии	Nitrobacter, Nitrospinaceae, Nitrospiraceae	0.14%
Цианобактерии	[…]	[…]
[…]	[…]	[…]
[…]	[…]	[…]

Как и ожидалось для аквариумов с морской водой и зрелыми микробными биопленками, мы обнаружили четкие доказательства наличия микробных групп, способных перерабатывать аммиак в нитриты и перерабатывать нитриты в нитраты. Сообщество, окисляющее аммиак, включало как археи, окисляющие аммиак (AOA), так и бактерии, окисляющие аммиак (AOB). Вместе эта группа составляла в среднем 1,5% микробиома.

Эти микробы (AOA и AOB) были в 11 раз более многочисленны, чем нитрит-окисляющие бактерии (NOB) в образцах воды.

Относительно низкая численность обеих групп в образцах воды, вероятно, является результатом их роста как части сообщества биопленок, а не как свободно живущих членов бактериопланктона. Хотя наше исследование показало, что эти группы присутствуют в образцах воды, для повышения чувствительности обнаружения этих важных групп мы впоследствии добавили этап отбора проб биопленки в протокол отбора проб.

Средний аквариум в нашем исследовании содержал цианобактерии (Таблица 2), хотя они составляли очень малую часть сообщества в образцах воды (0,32%). В разных аквариумах мы обнаружили различные сочетания до шести различных семейств. Имея в руках этот диагностический инструмент, будет интересно в будущих исследованиях изучить, как различные семейства реагируют на различные усилия по устранению этих надоедливых “водорослей”.

В целом здоровые аквариумы, отобранные для данного исследования, содержали очень мало известных патогенов. Мы провели скрининг на 41 вид патогенов для рыб и обнаружили только 2 вида, причем в низком уровне, в нескольких аквариумах (в среднем 0,07%). Один аквариум содержал Photobacterium damselae, возбудителя фотобактериоза. В другом аквариуме содержалась Piscirickettsia salmonis, которая вызывает писцириккетсиоз у лосося и родственных ему рыб. Ни один из владельцев этих аквариумов не сообщил о симптомах у своих рыб, так что эти низкие уровни могут быть ниже пороговых значений, необходимых для вспышки заболевания.

Мы провели скрининг на 9 различных коралловых патогенов и не обнаружили их в аквариумах, отобранных для данного исследования.

В целом, эти данные показывают, что отбор проб водного микробиома в морском аквариуме дает представление о популяциях многих групп микроорганизмов, представляющих интерес для аквариумистов, подтверждая наличие микробов, перерабатывающих питательные вещества, и отсутствие патогенов.

Резюме

Это исследование позволяет впервые взглянуть на специфические микробные сообщества, характерные для домашних морских аквариумов. Это слишком сложный набор данных, чтобы полностью обобщить его в одной статье. Здесь я сосредоточился на семействах микробов, присутствующих на стабильно высоком уровне в разных аквариумах, чтобы описать основной микробиом морского аквариума. Эти данные показывают следующее:

1. 1. 1. Вода в типичном рифовом аквариуме содержит сотни различных типов микробов с разнообразными метаболическими способностями.
      2. В аквариумном микробиоме доминирует основной набор из 19 семейств, которые относительно многочисленны в большинстве аквариумов.
      3. Бактерии составляют большую часть аквариумного микробиома, но небольшое количество архей включает виды, играющие важную роль в переработке питательных веществ.
      4. Взятие проб воды в морском аквариуме позволяет обнаружить специфические полезные микробы или патогены.
      5. Различия в метаболических возможностях и требованиях к питанию в основном микробиоме морских аквариумов позволяют предположить, что состав микробиома может влиять на уровень растворенных питательных веществ, и наоборот.

      Теперь, когда анализ аквариумных микробиомов стал легко доступен, будет интересно посмотреть, что мы узнаем о влиянии методов содержания аквариумов или добавок на микробные сообщества в наших аквариумах.

      В этой статье был описан средний микробиом. В следующей я сосредоточусь на различиях, которые мы обнаружили между аквариумами. Следите за новостями!

      Source: aquabiomics.com

      Похожие записи:

      1. Вспоминая Джека Рэндалла
      2. MH Mag Фитнес
      3. Вы не можете рисовать, потому что делаете это неправильно
      4. Физиологические и генетические адаптации к нырянию у морских кочевников: Клетка