Біологічні системи: теорія та інновації

Використання даних метагеномного аналізу для оцінки екологічного стану Чорного моря

М.О. Павловська, Алла Клепко, Є.П. Прекрасна-Квятковська
Завантажити статтю
Анотація

Згідно з рамковою директивою про морську стратегію оцінка екологічного стану морської екосистеми здійснюється з урахуванням 11 дискрипторів, в основі яких лежать біологічні, хімічні та фізичні показники. Біологічні параметри традиційно оцінюються за допомогою аналізу таксономічного складу та розподілу еукаріотичних організмів. Водночас, угруповання бактеріопланктону є чутливими до антропогенних змін, а тому вважаються перспективними індикаторами стану водного середовища. Нами було проведено експериментальне дослідження розрахунку індексу екологічного тиску на середовище (Pi) на основі даних хімічного аналізу вод Чорного моря та індексу екологічного стану середовища за даними метагеномного аналізу мікробних угруповань водного стовпа (microgAMBI). Було встановлено суттєву різницю показників Pi залежно від класу забруднюючих речовин, що вказує на необхідність використання широкого спектру ксенобіотиків у комплексній оцінці екологічного стану Чорного моря. За розрахунками microgAMBI води Чорного моря характеризувались переважно “добрим” екологічним станом. На трьох станціях було встановлено “задовільний”, “поганий” та “дуже поганий” стан, однак регіональних відмінностей між екологічним станом шельфової зони та відкритих вод зафіксовано не було. Частка Actinomycetales, Halomonadaceae та Shewanella в досліджуваному угрупованні асоціювалась із вищими показниками microgAMBI та, відповідно, гіршим екологічним станом вод. Водночас було встановлено позитивну кореляцію між часткою Synechococcus, Acidimicrobiaceae, Pelagibacteraceae, Rhodobacteraceae, Microbacteriaceae, Polaribacter, Rhodothermaceae та Chloroflexi та “добрим” екологічним станом. Отже, використання даних метагеномного аналізу угруповань бактеріопланктону є перспективною складовою комплексної оцінки екологічного статусу вод Чорного моря, однак даний підхід потребує додаткових валідаційних досліджень. Доповнення баз метагеномних даних призведе до покращення точності оцінки екологічного стану вод за індексом microgAMBI

Ключові слова

екологічний стан; індекси; угруповання мікроорганізмів; ксенобіотики; Чорне море

ЦИТУВАТИ
Pavlovska, M., Klepko, A., & Prekrasna-Kviatkovska, Ye. (2023). The utility of metagenomic data for the Black Sea ecological status assessment. Biological Systems: Theory and Innovation, 14(1), 61-72. https://doi.org/10.31548/biologiya14(1-2).2023.006
Використані джерела

[1] Aylagas, E., Borja, Á., Tangherlini, M., Dell’Anno, A., Corinaldesi, C., Michell, C.T., Irigoien, X., Danovaro, R., & Rodríguez-Ezpeleta, N. (2017). A bacterial community-based index to assess the ecological status of estuarine and coastal environments. Marine Pollution Bulletin, 114(2), 679-688. doi: 10.1016/j.marpolbul.2016.10.050. 

[2] Borja, A. (2018). Testing the efficiency of a bacterial community-based index (microgAMBI) to assess distinct impact sources in six locations around the world. Ecological Indicators, 85, 594-602. doi: 10.1016/j.ecolind.2017.11.018. 

[3] Borja, A., Franco, J., & Pérez, V. (2000). A marine biotic index to establish the ecological quality of soft-bottom benthos within European estuarine and coastal environments. Marine Pollution Bulletin, 40(12), 1100-1114. doi: 10.1016/S0025-326X(00)00061-8. 

[4] Caruso, G., la Ferla, R., Azzaro, M., Zoppini, A., Marino, G., Petochi, T., Corinaldesi, C., Leonardi, M., Zaccone, R., Fonda, S., Caroppo, C., Monticelli, L., Azzaro, F., Decembrini, F., Maimone, G., Cavallo, R., Stabili, L., Todorova, N., Karamfilov, V., et al. (2016). Microbial assemblages for environmental quality assessment: Knowledge, gaps and usefulness in the European marine strategy framework directive. Critical Reviews in Microbiology, 42(6), 883-904. doi: 10.3109/1040841X.2015.1087380. 

[5] Catania, V., Cappello, S., Di Giorgi, V., Santisi, S., di Maria, R., Mazzola, A., Vizzini, S., & Quatrini, P. (2018). Microbial communities of polluted sub-surface marine sediments. Marine Pollution Bulletin, 131(A), 396-406.
doi: 10.1016/j.marpolbul.2018.04.015. 

[6] Devanshi, S., Shah, K.R., Arora, S., & Saxena, S. (Eds.). (2022). Actinomycetes as an environmental scrubber. London: ІntechOpen Books.  doi: 10.5772/intechopen.99187. 

[7] Directive of the European Parliament and of the Council No. 2000/60/EC “On Establishing a Framework for the Community Action in the Field of Water Policy”. (2000, December). Retrieved from https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2000/60/oj.

[8] Directive of the European Parliament and of the Council No. 2008/56/EC “On establishing a framework for community action in the field of marine environmental policy (Marine Strategy Framework Directive)”. (2008, June). Retrieved from https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2008/56/oj.

[9] Directive of the European Parliament and of the Council No. 2013/39/EU “On Amending Directives 2000/60/EC and 2008/105/EC as Regards Priority Substances in the Field of Water Policy”. (2013, August).
Retrieved from http://data.europa.eu/eli/dir/2013/39/oj.

[10] Dong, C., Bai, X., Sheng, H., Jiao, L., Zhou, H., & Shao, Z. (2015). Distribution of PAHs and the PAH-degrading bacteria in the deep-sea sediments of the high-latitude Arctic Ocean. Biogeosciences,12(7), 2163–2177. doi: 10.5194/bg-12-2163-2015. 

[11] Haggerty, J.M., & Dinsdale, E.A. (2017). Distinct biogeographical patterns of marine bacterial taxonomy and functional genes. Global Ecology and Biogeography, 26(2), 177-190. doi: 10.1111/geb.12528. 

[12] Hamedi, J., Mohammadipanah, F., & Ventosa, A. (2013). Systematic and biotechnological aspects of halophilic and halotolerant actinomycetes. Extremophiles, 17(1-3). doi: 10.1007/s00792-012-0493-5.

[13] Kalaitzidou, M.P., Alvanou, M.V., Papageorgiou, K.V., Lattos, A., Sofia, M., Kritas, S.K., Petridou, E., & Giantsis, I.A. (2022). Pollution Indicators and HAB-associated Halophilic bacteria alongside harmful cyanobacteria in the largest mussel cultivation area in Greece. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(9), 1-13, article number 5285. doi: 10.3390/ijerph19095285.

[14] Lanzén, A., Mendibil, I., Borja, Á., & Alonso-Sáez, L. (2021). A microbial mandala for environmental monitoring: Predicting multiple impacts on estuarine prokaryote communities of the Bay of Biscay. Molecular Ecology, 30(13), 2969-2987. doi: 10.1111/mec.15489.

[15] Laroche, O., Pochon, X., Tremblay, L.A., Ellis, J.I., Lear, G., & Wood, S.A. (2018). Incorporating molecular-based functional and co-occurrence network properties into benthic marine impact assessments. FEMS Microbiology Ecology, 94(11), article number fiy167. doi: 10.1093/FEMSEC/FIY167. 

[16] Lemaire, O.N., Méjean, V., & Iobbi-Nivol, C. (2021). The Shewanella genus: Ubiquitous organisms sustaining and preserving aquatic ecosystems. FEMS Microbiology Reviews, 44(2), 155-170. doi: 10.1093/FEMSRE/FUZ031. 

[17] Pepi, M., Heipieper, H.J., Balestra, C., Borra, M., Biffali, E., & Casotti, R. (2017). Toxicity of diatom polyunsaturated aldehydes to marine bacterial isolates reveals their mode of action. Chemosphere, 2017, 258-265.
doi: 10.1016/j.chemosphere.2017.03.031.

[18] Slobodnik, J., Alexandrov, B., Komorin, V., Mikaelyan, A., Guchmanidze, A., Arabidze, M., &  Korshenko, A. (2017). National pilot monitoring studies and joint open sea surveys in Georgia, Russian Federation and Ukraine, 2017: Final Scientific Report. In J. Slobodnik, B. Alexandrov, V. Komorin, A. Mikaelyan, A. Guchmanidze, M. Arabidze, & A. Korshenko (Eds.), Environmental Monitoring of the Black Sea. Dnipro: Seredniak T.K.

[19] Stoeck, T., Frühe, L., Forster, D., Cordier, T., Martins, C.I.M., & Pawlowski, J. (2018). Environmental DNA metabarcoding of benthic bacterial communities indicates the benthic footprint of salmon aquaculture, 127, 139-149. Marine Pollution Bulletin. doi: 10.1016/j.marpolbul.2017.11.065.   

[20] Zhang, Y., Chen, L., Sun, R., Dai, T., Tian, J., Liu, R., & Wen, D. (2014). Effect of wastewater disposal on the bacterial and archaeal community of sea sediment in an industrial area in China. FEMS Microbiology Ecology, 88(2), 320-332.
doi: 10.1111/1574-6941.12298.