意外的营养来源助长了伊利湖有毒藻类的生长

气候变化，如变暖和降水模式的变化，影响着全球有害藻华的频率和严重程度，包括可能污染饮用水的产毒蓝藻

这些营养诱导的水华引起了全世界公众和生态系统健康问题。自20世纪90年代中期以来，伊利湖是五大湖中最浅、最温暖的湖泊，也是1100万人的饮用水来源，经历了以几种物种为主的季节性蓝藻水华。微囊藻是伊利湖中含量最高、毒性最强的一种，被认为是蓝藻毒素的主要产生者。

为了更好地了解导致伊利湖赤潮的因素，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家以及托莱多大学和密歇根大学的合作者调查了从伊利湖藻类水华中收集的几种微囊藻培养物的蓝藻毒素产生和微生物组群落结构。

他们研究了蓝藻微生物组在低无机营养素条件下影响生长和蓝藻毒素产生的作用，以了解有机营养素的微生物循环如何影响赤潮。蓝藻赤潮通常与过量的无机磷和氮输入有关（这两种物质都存在于肥料中）。磷已被广泛认为是淡水中浮游植物生物量的主要贡献者

“但氮现在正成为这些生态系统中的一种限制性营养素，尤其是在藻华期间，氮的可用性往往会限制蓝藻的生长，”LLNL科学家李伟说，他是发表在《ISME杂志》上的论文的主要作者

“大多数研究都集中在无机形式的氮，如硝酸盐和铵，但有机分子在助长赤潮中的作用并没有得到很好的表征。有机氮，包括氨基酸、蛋白质和尿素等化合物，可能是藻类水华的重要氮源，但其动力学和影响还不太清楚。这种知识差距阻碍了我们有效预测和管理赤潮的能力，因为有机氮源可能在维持赤潮中发挥着关键作用。”

在这项研究中，科学家们使用微生物组移植实验、蓝藻毒素分析和纳米级稳定同位素探测来测量单细胞分辨率下的氮掺入和交换。首先，他们发现可用的有机氮类型塑造了与微囊藻相关的微生物群落，外部有机氮输入导致产生与无机氮相似水平的蓝藻毒素

这表明微生物组可以帮助蓝藻维持足够的氮水平，以制造富含氮的毒素分子。托莱多大学化学教授德拉甘·伊萨洛维奇提供了蓝藻毒素分析方面的专业知识

接下来，LLNL的科学家在与氮、15种标记的氨基酸和蛋白质孵育后进行了单细胞氮掺入分析，结果显示，一些细菌群落与微囊藻竞争有机氮，但其他群落可能通过将有机氮改性为藻类可以掺入的其他分子来促进微囊藻对氮的吸收增加

使用LLNL的nanoSIMS，一种复杂的质谱仪，该团队能够确定有毒藻类或微生物组（或两者）是否能够结合同位素标记的氮

该研究的高级作者兼首席研究员、LLNL科学家Xavier Mayali表示：“如果没有这台仪器，几乎不可能弄清楚这一点，因为微生物组和有毒藻类都粘在这些生物膜中。”

纳米SIMS能够从保存和干燥的样本中分离出蓝藻和较小微生物组细胞的同位素信号。合著者、LLNL科学家Ty Samo获得的三维活样本的额外显微镜检查揭示了微囊藻与其微生物组之间的密切联系

密歇根大学的研究人员利用他们从湖中分离并保存在实验室中的微囊藻培养物，为合作项目中的实验和基因组分析做出了贡献

密歇根大学助理研究科学家兼合著者Anders Kiledal说：“我们真的才刚刚开始了解微生物组如何影响蓝藻水华的生物学和毒性。这个项目使我们能够将纳米SIMS、微生物学、基因组学和蓝藻毒素分析结合起来。”

实验室培养数据表明，有机氮输入可能支持微囊藻繁殖和毒素在自然界的产生，与微囊藻相关的微生物群落可能在这一过程中发挥关键作用。然而，这些假设需要直接在伊利湖进行测试，该团队希望在未来进行测试

LLNL在去年秋天正式达成合作协议后，与托莱多大学有着密切的联系。该协议呼吁各机构交流科学和技术思想，支持学生机会和实习，并在太阳能和其他可再生能源技术、气候和环境科学、生物医学和氢能等领域进行研发

托莱多大学负责创新和经济发展的副校长Frank Calzonetti表示：“这个项目旨在更好地了解食蟹菌微生物组在俄亥俄州西北部伊利湖和其他水道有害藻类水华生长中的作用，这是托莱多大学正在与LLNL一起应对的一系列关键科学和工程挑战之一。”。“我们的科学家通过使用世界上顶尖的研究设施而受益匪浅。”

托莱多大学的其他贡献者包括研究生Sanduni Premathilaka和Sharmila Thenuwara。其他LLNL研究人员包括David Baliu Rodriguez（托莱多大学前研究生）、Jeffrey Kimbrel、Christina Ramon和Peter Weber