Das Fungizid Azoxystrobin fördert die Dominanz von Süßwasser-Cyanobakterien durch Veränderung der Konkurrenz

Toxizität von AZ auf Grünalgen und Cyanobakterien

Modell-Cyanobakterium M. aeruginosa sowie die gewöhnliche Grünalge C. pyrenoidosa wurden verwendet, um die Toxizität von AZ auf Grünalgen und Cyanobakterien zu untersuchen. Das Wachstum von M. aeruginosa wurde durch die verschiedenen AZ-Konzentrationen während der 7-tägigen Behandlung nicht unterdrückt (Abb. 1a), während das Wachstum von C. pyrenoidosa bei den drei getesteten AZ-Konzentrationen nach 7 Tagen um etwa 9,2-30 % gehemmt wurde (Abb. 1a). Das Wachstum von C. pyrenoidosa in Gegenwart einer niedrigen AZ-Konzentration (5-10 μg L-1) und bei niedriger anfänglicher Algenzelldichte (etwa 20.000 Zellen/mL, was der Algendichte in der Natur nahe kommt), also unter Bedingungen, die für natürlich kontaminierte Umgebungen repräsentativ sind, wurde signifikant um 20-30 % gehemmt (Additional file 1: Abbildung S2) (p < 0,05), während das Wachstum von M. aeruginosa bei denselben getesteten AZ-Konzentrationen unbeeinflusst blieb. Frühere Laborstudien haben auch gezeigt, dass die hemmende toxische Wirkung von AZ zwischen Grünalgen und Cyanobakterien stark variiert; so war die Toxizität von gelöstem AZ auf das Wachstum des Chlorophyten Pseudokirchneriella subcapitata fast 500-mal höher als die des Cyanobakteriums Anabaena flos-aquae.

Mikrokosmen wurden zur Untersuchung der Auswirkungen von AZ auf die Planktongemeinschaft verwendet. Die Mikroorganismen wurden durch Filtration aus dem natürlichen Seewasser abgetrennt und in ein künstliches Medium überführt, woraufhin den Mikrokosmen eine Reihe von AZ-Konzentrationen zugesetzt wurde. Die Konzentrationen von Chl-a und Phycocyanin wurden in den Mikrokosmen nach der AZ-Behandlung gemessen. Die Chl-a-Konzentration, die die gesamte Phytoplankton-Biomasse schätzt, erreichte in den Kontroll-Mikrokosmen nach 3 Tagen Kultur im Medium 4 mg L-1, und es kam zu einer Phytoplanktonblüte (Abb. 1b). Eine dreitägige Exposition gegenüber einer AZ-Konzentration, die höher oder gleich der niedrigsten getesteten Konzentration (0,5 mg L-1) war, verringerte die Chl-a-Konzentration, was darauf hindeutet, dass AZ toxische Wirkungen auf die Phytoplanktonpopulationen haben kann, aus denen die Grünalgen bestehen (Abb. 1b). Die Chl-a-Konzentration verringerte sich über den Bereich der in den Mikrokosmen getesteten AZ-Konzentrationen um 8,7 % bis 37,3 %. Im Gegensatz dazu stieg die Produktion eines anderen Pigments, Phycocyanin, das als Indikator für die cyanobakterielle Biomasse verwendet wurde, nach der dreitägigen Exposition bei AZ-Konzentrationen von 2,5 mg L-1 oder mehr an (Abb. 1c). 1c), was darauf hindeutet, dass AZ das Wachstum von Cyanobakterien im Mikrokosmos begünstigte.

Die Abbaugeschwindigkeit von Azoxystrobin in der aquatischen Umwelt wird durch Licht stimuliert und AZ hat eine wässrige Photolyse DT50 (Zeit bis zur 50%igen Dissipation) (pH 7) zwischen 8,7 und 13,9 Tagen. Interessanterweise nahmen die Konzentrationen von gelöstem AZ als Reaktion auf Grünalgen und Cyanobakterien im Laufe der Zeit unterschiedlich ab; sie sanken bei C. pyrenoidosa schneller als bei M. aeruginosa-Kulturen (Abb. 1d). Dies deutet darauf hin, dass die eukaryotische Alge C. pyrenoidosa mehr gelöstes AZ aufnimmt als M. aeruginosa, obwohl beide Kulturen mit der gleichen optischen Dichte beimpft wurden. Der Abbau der gelösten AZ-Konzentration in den Mikrokosmen verlief ebenfalls schneller als in den M. aeruginosa-Kulturen (Abb. 1d). Die AZ-Verarmung in den Mikrokosmen könnte durch die bevorzugte AZ-Aufnahme/Adsorption in Grünalgen (der Hauptkomponente in den Mikrokosmen) sowie durch die höhere AZ-Adsorption an anderen aquatischen Mikroorganismen außer Cyanobakterien erklärt werden. Die obigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass C. pyrenoidosa viel empfindlicher auf AZ reagierte als M. aeruginosa, was wahrscheinlich zum Teil auf einen höheren AZ-Verbrauch (Aufnahme/Adsorption) bei C. pyrenoidosa zurückzuführen ist.

Veränderung der Transkriptionsanteile nach AZ-Exposition in der gesamten Plankton-Gemeinschaft

Meta-transkriptomische Sequenzierung wurde durchgeführt, um die Veränderungen in der Transkription der gesamten Plankton-Gemeinschaft nach AZ-Exposition zu untersuchen. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse der Meta-Transkriptom-Sequenzierung ist in Additional file 1: Extended Results zu finden. Taxonomische Proportionen von Transkripten in zwei Gruppen auf verschiedenen taxonomischen Ebenen sind in Zusatzdatei 2 dargestellt: Datensatz 2 dargestellt, die durch die relative Häufigkeit der taxonomisch annotierten Transkripte (RAT) repräsentiert werden. Der RAT-Wert repräsentiert nicht die mikrobielle Biomasse, sondern vielmehr die Veränderungen der Transkriptionsaktivität zwischen den Arten, die die aktiven Stoffwechselzustände und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaft darstellen.

Die relative Häufigkeit von RAT in den Kontrollmikrokosmen wurde nach 7 Tagen Kultur hauptsächlich von Monoraphidium sp. (einer Chlorophyta-Gattung) kontrolliert (Abb. 2). Die relative Häufigkeit von RAT der Chlorophyta sank jedoch von 63,6 % in der Kontrolle auf 35,8 % in den AZ-behandelten Mikrokosmen (Abb. 2a, Additional file 1: Tabelle S2), obwohl die taxonomischen Transkriptzahlen der Hauptklassen innerhalb des Chlorophyta-Phylums durch die AZ-Behandlung nicht wesentlich beeinflusst wurden (Abb. 2c). Die relative Häufigkeit der RAT anderer eukaryotischer Algenarten unter den Phaeophyceae und Eustigmatophyceae nahm in den mit AZ behandelten Mikrokosmen ebenfalls signifikant ab (p < 0,05), während die Häufigkeit der Bacillariophyta um das ~ 6-fache anstieg (Additional file 1: Table S2). In der Zwischenzeit stieg der RAT von Cyanobakterien (hauptsächlich Synechococcales) dramatisch um mehr als das 20-fache, d.h. von 1,7% in der Kontrollgruppe auf 38,3% in der AZ-Gruppe. Das Sequenzhäufigkeitsverhältnis von Eukaryota/Prokaryota sank in den AZ-behandelten Mikrokosmen von 3,1 auf 0,9 (Abb. 2b), was hauptsächlich auf die drastische Zunahme von Cyanobakterien bzw. die Abnahme von Chlorophyta zurückzuführen ist. Der Anstieg der Cyanobakterien in AZ-behandelten Mikrokosmen war mit einem höheren Anteil an Synechococcales und einem geringeren Anteil an Chroococcales verbunden (Abb. 2d), während AZ keinen Einfluss auf die relative Häufigkeit von Ordnungen innerhalb der Chlorophyta, der wichtigsten eukaryotischen Abteilung, hatte (Abb. 2c). Cyanobakterien innerhalb der Ordnung Synechococcale können toxische Blüten bilden, die möglicherweise eukaryotische Algenkonkurrenten beeinträchtigen.

AZ hemmt sowohl Monoraphidium sp. als auch Synechococcus sp. in Monokulturen

Da die RAT von Monoraphidium sp. halbiert wurde und die RAT von Synechococcus sp. nach der AZ-Behandlung stark anstieg, wurden AZ-Toxizitäts-Bioassays in Labor-Batch-Kulturen von Synechococcus sp. und Monoraphidium sp. durchgeführt, um unsere Hypothese zu untermauern, dass die AZ-Zugabe in den Mikrokosmen ein Cyanobakterium (Synechococcus sp.) gegenüber einem Grünalgen-Konkurrenten (Monoraphidium sp.) bevorzugt begünstigen könnte. Interessanterweise wurde das Wachstum von Monokulturen von Synechococcus sp. in BG-11-Medium nach 7 Tagen (Abb. 3a) (p < 0,05) bei einer anfänglichen AZ-Konzentration von 2,5 mg L-1 um ~ 28 % gehemmt, obwohl es nach 4 Tagen Exposition nicht mehr signifikant beeinflusst wurde (p = 0,21), was darauf hindeutet, dass das Wachstum von Synechococcus sp. durch eine langfristige Exposition gegenüber hohen AZ-Konzentrationen gehemmt werden könnte. Im Gegensatz dazu wurde das Wachstum von Monoraphidium in Labor-Monoalgen-Kulturen während des gesamten Kultivierungsprozesses immer gehemmt, wobei die Zellausbeute nach einer 7-tägigen Exposition gegenüber 2,5 mg L-1 AZ (Anfangskonzentration) um ca. 45 % gesenkt wurde (Abb. 3b). Die obigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Monoraphidium sp. empfindlicher auf AZ reagiert als Synechococcus sp. Aufgrund des bemerkenswerten Wachstumsvorteils von Synechococcus sp. in den AZ-behandelten Mikrokosmen (Abb. 2d) scheint es, dass AZ 2d), scheint AZ eine indirekte Rolle bei der Förderung von Synechococcus sp. zu spielen.

AZ hemmt Monoraphidium sp. und begünstigt Synechococcus sp. in Co-Kulturen

Bei der Co-Kultivierung der beiden Algenarten wurde festgestellt, dass die Zugabe von AZ Synechococcus sp. gegenüber Monoraphidium sp. sowohl in gefiltertem eutrophiertem Seewasser (Abb. 3c-f) als auch in modifiziertem BG-11-Medium (Additional file 1: Abbildung S3), was mit den RAT-Ergebnissen der Meta-Transkriptomanalyse übereinstimmte. Nach einer 7-tägigen Kultur in eutrophem Seewasser wurde das Zellzahlverhältnis (Synechococcus/Monoraphidium) durch die AZ-Behandlung von 1,2 in der Kontrolle auf 2,3, 3,6 bzw. 7,7 bei der Behandlung mit 25 μg L-1, 250 μg L-1 bzw. 2,5 mg L-1 AZ erhöht (Abb. 3c-f). Die Ergebnisse des prokaryotischen und eukaryotischen Algenwachstums in modifiziertem BG-11-Medium (Additional file 1: Abbildung S3) waren ähnlich wie in eutrophiertem Seewasser, wo Synechococcus sp. bei der AZ-Behandlung dominiert. In natürlichen Gewässern besteht ein Gleichgewicht zwischen Grünalgen und Cyanobakterien, das durch verschiedene Faktoren wie allelopathische Wechselwirkungen und positive Rückkopplungen bestimmt wird. Das Vorhandensein von AZ störte dieses Gleichgewicht, wahrscheinlich durch eine Veränderung des Stoffwechsels der Grünalgen, und stimulierte das Wachstum von Synechococcus sp. im Verhältnis zu dem von Monoraphidium sp. in den Ko-Kulturen (Abb. 3c-f). Nach der AZ-Behandlung stieg die Zellzahl von Synechococcus sp. in der Co-Kultur um das 1,5-fache (Abb. 3c-f), während die RAT von Synechococcus sp. im Mikrokosmos im Vergleich zur Kontrolle um das 20-fache anstieg. Da die RAT nicht ohne weiteres mit der Zelldichte verglichen werden kann, ist es schwierig, die Labor- und Mikrokosmos-Experimente quantitativ zu vergleichen. Beide Experimente deuten jedoch darauf hin, dass AZ das Wachstum von Cyanobakterien durch Veränderung der Konkurrenz mit Grünalgen begünstigt.

AZ verändert die Transkriptionsaktivität von Pilzen, Viren, Bakterien und Zooplankton

Die RAT von Pilzen, einschließlich Zygomycota, Basidiomycota, Chytridiomycota und Ascomycota, verringerte sich alle signifikant (p < 0,05) nach der Exposition mit AZ im Vergleich zur Kontrolle (Additional file 1: Table S2) aufgrund der fungiziden Wirkung von AZ. Es ist erwähnenswert, dass die RAT des Stammes Chlorobi, zu dem photosynthetische Bakterien gehören, die keinen Sauerstoff produzieren und anaerobe Umgebungen bevorzugen, in den AZ-behandelten Mikrokosmen ebenfalls signifikant (~ 8-fach) anstieg (p < 0,05). Obwohl die Gesamtkonzentration an gelöstem Sauerstoff (DO) in den AZ-behandelten Mikrokosmen im Vergleich zur Kontrolle übersättigt blieb (Additional file 1: Abbildung S4), können anoxische Mikrozonen, die mikrobielle (vielleicht cyanobakterielle) Aggregate umgeben, in den AZ-behandelten Mikrokosmen gut entwickelt sein, was mit dem Anstieg der RAT von Chlorobi in Einklang stehen würde. Die RAT von Zooplankton in den meisten Stämmen, wie Arthropoda, Nematoda und Cnidaria, nahm unter AZ-Exposition im Vergleich zur Kontrolle ab (Additional file 1: Tabelle S2), während das Gegenteil für einige Gattungen wie Acanthamoeba zutraf (Tabelle 1). Im Allgemeinen nahm die RAT einiger Zooplankton-Organismen (wie z.B. Daphnia von den Arthropoda), Pilze (die zu den Chytridiomycota gehören), heterotrophe Bakterien (Cytophaga und Bdellovibrio) und Viren (Podoviridae, Siphoviridae und Myoviridae) in AZ-behandelten Mikrokosmen im Vergleich zur Kontrolle signifikant ab (p < 0,05) (Tabelle 1, Abb. 4). Die oben genannten planktischen Organismen können Cyanobakterien abweiden, parasitieren oder lysieren und spielen eine Rolle bei der Kontrolle ihrer Abundanz und könnten daher teilweise die Dominanz der Cyanobakterien in Gegenwart von AZ erklären. Eine andere Möglichkeit für die Abnahme der relativen Häufigkeit von Zooplankton ist, dass diese Veränderungen die Abnahme von essbaren Chlorophyten und die Zunahme von ungenießbaren Cyanobakterien widerspiegeln, da Chlorophyten empfindlicher auf AZ reagieren als Cyanobakterien.

Es ist auch bekannt, dass Pilzzoosporen eine entscheidende Rolle bei der Verbindung von ungenießbaren Cyanobakterien und Zooplankton spielen. Arthropoden (Cladoceren oder Copepoden) sind nicht in der Lage, Sterine de novo zu synthetisieren und müssen sie aus ihrer Nahrung beziehen. So sind beispielsweise Chytrid-Zoosporen eine wesentliche Nahrungsergänzung für Daphnien, wenn sie fadenförmige Cyanobakterien abweiden. Da das Fungizid AZ die Pilze stark hemmte und daher wahrscheinlich die Pilzzoosporen verringerte (Tabelle 1), ist es möglich, dass das Abweiden der Cyanobakterien durch Daphnien abnimmt, was wiederum zu einem geringeren Daphnienwachstum (Tabelle 1) und zu einem verstärkten Wachstum der Cyanobakterien führen würde, wodurch die Cyanobakterien vor dem Abweiden geschützt würden. Weder die Zooplankton-Gemeinschaft noch die Viren und Parasiten der Cyanobakterien sind geeignet, die Cyanobakterienblüte zu kontrollieren. Sie können jedoch dem aquatischen System Stabilität verleihen, indem sie die Struktur des Nahrungsnetzes verändern und die mikrobielle Gemeinschaft beeinflussen sowie möglicherweise zur Cyanobakterienblüte beitragen.

Stoffwechselwege in Eukaryonten und Bakterien als Reaktion auf die AZ-Behandlung

Da die Gesamtinformationen über die Transkriptom-Annotation bei der Gattung Chlorella und anderen Chlorophyten begrenzt sind, waren Meta-Transkriptom-Analysen der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft hilfreich, um die Wechselwirkungen zwischen planktischen Organismen und Cyanobakterien besser zu verstehen. Eine Zusammenfassung der funktionellen Annotation findet sich in Zusatzdatei 1: Erweiterte Ergebnisse, und die detaillierte funktionelle Variation ist in Zusatzdatei 2 zu finden: Datensatz 3, 4. Wir unterschieden Sequenzen von Eukaryonten und Bakterien und zerlegten sie auf KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) Ebene 3. Abbildung 5 zeigt die 40 wichtigsten Stoffwechselwege auf der Grundlage der relativen Häufigkeit von Transkripten (die zu den vier im vorherigen Abschnitt erwähnten Stoffwechselsystemen gehören) in Eukaryota und Bakterien.

Auch wenn der Anteil der Eukaryonten durch AZ nicht stark beeinflusst wurde (Zusatzdatei 1: Abbildung S5a), waren die KEGG-Ebene-3-Stoffwechselwege oft merklich betroffen (Zusatzdatei 2: Datensatz 4). Wie in Abb. 5a gezeigt, waren die am stärksten überexprimierten Pfade aufgrund der Anwesenheit von AZ in Eukaryota die Pflanzenhormon-Signaltransduktion, der MAPK-Signalweg, der Stickstoff-Stoffwechsel, die Ubiquitin-vermittelte Proteolyse und der Glycerophospholipid-Stoffwechsel, und die am stärksten unterexprimierten Pfade waren der Porphyrin- und Chlorophyll-Stoffwechsel, die oxidative Phosphorylierung und das Peroxisom, was darauf hinweist, dass AZ die funktionelle Genexpression in Eukaryota moduliert.

Als Reaktion auf die Cyanobakterienblüte veränderten sich die Struktur der bakteriellen Gemeinschaft und die relative Häufigkeit der Stoffwechselwege dramatisch (Abb. 5b und Additional file 1: Abbildung S5b). Wie aus Abb. 5b hervorgeht, waren Stoffwechselwege, die eng mit Cyanobakterien verwandt sind, deutlich überexprimiert (p < 0,05), darunter die Carotinoid-Biosynthese (+ 1326 % im Vergleich zur Kontrolle), Photosynthese-Antennenproteine (+ 1305 %) und Photosynthese (+ 758 %). Wir stellten auch fest, dass viele Stoffwechselwege mit geringer relativer Häufigkeit (< 0,05), die mit Antibiose, Vitaminstoffwechsel und Polysaccharidsynthese zusammenhängen, als Reaktion auf AZ unterschiedlich exprimiert wurden (Additional file 2: Dataset 4). Diese Funktionen werden im Folgenden erläutert.

1. Modulation der oxidativen Phosphorylierung und der Photosynthese durch AZ. Die relative Expression von Genen, die mit der oxidativen Phosphorylierung in Eukaryonten und Prokaryonten zusammenhängen, nahm in den mit AZ behandelten Mikrokosmen drastisch ab, und der Grad der Hemmung war in beiden Reichen gleich, d.h. etwa 42 % im Vergleich zur Kontrolle. Gene (atpA, atpB, atpD und atpF), die für das Enzym F-ATPase in den mitochondrialen und chloroplastischen Membranen kodieren, wurden sowohl in Eukaryonten als auch in Bakterien signifikant unterexprimiert (Rückgang um etwa 40-80%) (p < 0,05). Dieser Rückgang der F-ATPase-Transkription könnte durch die toxische Wirkung von AZ erklärt werden, das den Elektronentransferkomplex zwischen Cytochrom b und Cytochrom c1 hemmt und so die mitochondriale Atmung und ATP-Produktion verringert. Was die photosynthetischen Stoffwechselwege betrifft, so war die Modulation der Photosystemtranskripte nach der AZ-Behandlung bei Eukaryonten und Bakterien unterschiedlich (Additional file 1: Abbildung S6). In Bakterien wurden Gene, die am Phycobilisom beteiligt sind (z. B. apcD, apcE, cpeC, cpeZ), stark überexprimiert (um das 4-32-fache), während in Eukaryonten die Transkription von Genen, die für Proteine des Lichtsammelkomplexes kodieren (z. B. LHCB2 und LHCA1), weitgehend unverändert blieb (Additional file 2: Dataset 5). Dies steht im Einklang mit dem Anstieg der Cyanobakterien in den AZ-behandelten Mikrokosmen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass Bakterien möglicherweise über AZ-Entgiftungsmechanismen verfügen, um die AZ-Toxizität durch einen starken Anstieg (um das 10-24-fache) der NAD(P)H-Chinon-Oxidoreduktase-Gene (ndhD, ndhF, ndhH) zu verringern, die für ein Enzym kodieren, das die Zellen vor Umweltstress schützt, der in Gegenwart von AZ auftreten kann. Darüber hinaus können Prokaryoten reaktive Sauerstoffspezies durch eine erhöhte Carotinoid-Biosynthese (+ 1326 %) und einen erhöhten Glutathion-Stoffwechsel (+ 344 %) entgiften und die zelluläre Reparatur verbessern (Gene, die an der Mismatch-Reparatur beteiligt sind, + 211 %).

2. Polysaccharid-Synthese und -Abbau. Die Transkription mehrerer Gene, die mit der Polysaccharid-Biosynthese in Eukaryonten zusammenhängen, nahm zu (Additional file 1: Tabelle S3), z. B. Gene in den Bahnen der Lipopolysaccharid-Biosynthese (+353 %). Auch ein Polysaccharid-assoziiertes System (ABC-Transporter, +162 %) wurde sowohl in der AZ- als auch in der Kontrollgruppe überexprimiert, das nachweislich Polysaccharide außerhalb der Zellen exportiert. Über eine verstärkte Polysaccharidsynthese im Phytoplankton wurde in stressigen Umgebungen berichtet. Im Gegensatz dazu wurden in Bakterien vier Wege (N-Glykan-Biosynthese, verschiedene Arten von N-Glykan-Biosynthese, Lipopolysaccharid-Biosynthese und Peptidoglykan-Biosynthese), die mit der Glykan-Synthese zusammenhängen, signifikant unterexprimiert (um etwa 63~77%) (p < 0,05), aber der Weg „anderer Glykan-Abbau“ wurde in den AZ-behandelten Mikrokosmen im Vergleich zur Kontrolle um das ~ 10-fache überexprimiert. Unter der Annahme, dass der allgemein vorhergesagte Rückgang der Polysaccharidsynthese bei Prokaryonten auch bei Cyanobakterien auftrat, könnte eine vermeintliche Verringerung des Polysaccharid-Ballasts in Cyanobakterien dazu beitragen, die Cyanobakterien an der Seeoberfläche zu halten und das Licht zu nutzen, das während der Blüte mit der Tiefe stark abnimmt. Bei mehreren Cyanobakterien, einschließlich derer der Gattung Synecocchococus, wurde in der Tat nachgewiesen, dass sie den Auftrieb durch die Polysaccharidsynthese modulieren.

3. Modulation der Vitaminbiosynthese und mögliche Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Eukaryoten. In Eukaryonten wurden alle mit der Biosynthese von B-Vitaminen zusammenhängenden Stoffwechselwege (z. B. Thiamin, Riboflavin, Niacinamid, Pantothenat, Vitamin B6, Biotin, Liponsäure und Folat) in den AZ-behandelten Mikrokosmen im Vergleich zur Kontrolle überexprimiert (14 bis 243 %) (Additional file 1: Table S4). Im Gegensatz dazu wurden in den Bakterien biochemische Wege, die mit der Folat-, Nicotinamid- und Thiamin-Biosynthese zusammenhängen, nach der AZ-Exposition in den Mikrokosmen überexprimiert (37~139%), während Vitamin-Biosynthesewege in geringerer relativer Häufigkeit (d.h., Biotin und Liponsäure, Riboflavin, B6) in den AZ-behandelten Mikrokosmen im Vergleich zur Kontrolle signifikant unterexprimiert waren (um 22~68%, p < 0,05) (Zusatzdatei 1: Tabelle S4). Interessanterweise verringerte sich in Bakterien die relative Häufigkeit von zwei Genen, die am Vitamin B12 (Cobalamin)-Transport beteiligt sind (d. h. btuB oder K16092: Vitamin B12-Transporter und btuF oder K06858: Vitamin B12-Transportsystem-Substrat-bindendes Protein), in den AZ-behandelten Mikrokosmen um 88 % bzw. 57 % im Vergleich zur Kontrolle (siehe Zusatzdatei 2: Datensatz 5). Da mehrere eukaryotische Arten (einschließlich Pilze und viele Chlorophyten) Cobalamin nicht de novo synthetisieren können und auf mutualistische Bakterien angewiesen sind, um dieses Vitamin zu erwerben, unterstützen unsere Ergebnisse die Hypothese, dass der Anstieg der Cyanobakterien in Gegenwart von AZ zumindest teilweise durch einen Rückgang des mutualistischen Austauschs von Vitamin B12 zwischen Bakterien und Eukaryoten erklärt werden kann.

AZ veränderte die Interaktionen zwischen Pilzen, eukaryotischen Algen und Cyanobakterien

Unsere Ergebnisse stehen im Einklang mit allelopathischen Interaktionen zwischen Pilzen oder Eukaryoten und Prokaryoten mit möglichen Auswirkungen auf die Dynamik der Cyanobakterienblüte. Erstens könnte die von uns gemeldete Abnahme der relativen Aktivität vieler Pilze, die mehrere sekundäre Metaboliten produzieren, die die Zelllyse von Cyanobakterien fördern, die Cyanobakterien begünstigen. Zweitens wurden zwei eukaryotische Wege der Antibiotika-Biosynthese (Monobactam-Biosynthese (+ 1524 %) und Penicillin- und Cephalosporin-Biosynthese (+ 161 %)) unter AZ-Exposition um das 1,6- bis 15-Fache bevorzugt exprimiert. Dies deutet darauf hin, dass eukaryotische Mikroorganismen auf den Anstieg der Cyanobakterien mit der Produktion von antibakteriellen Verbindungen reagieren könnten, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass dies den Ausbruch von Cyanobakterienblüten verhindert. Drittens, wie in Additional file 1: Abbildung S7 dargestellt ist, betrug die relative Häufigkeit von Cyanobakterien in der Bakteriengemeinschaft an unserer Probenahmestelle im Taihu-See 39,3 % (abgeleitet aus 16S rRNA-Gen-Sequenzierungsdaten), während die relative Häufigkeit von Cyanobakterien in den Bakterien nach 7d-Kultur in den Kontroll- und AZ-behandelten Gruppen 7,1 % bzw. 72,1 % betrug. Dies deutet darauf hin, dass der große Anteil an Grünalgen (Abb. 3c) die Aktivität der Cyanobakterien selbst unter eutrophen Bedingungen einschränken könnte.

Langfristige potenzielle Auswirkungen einer kurzzeitigen AZ-Kontamination

Wie in Zusatzdatei 1 gezeigt: Abbildung S8, setzten sich nach 50-tägiger Kultivierung die Algen und das organische Material in den Mikrokosmen ab, so dass sie in der Kontrollgruppe klar wurden. Die AZ-Gruppe zeigte jedoch immer noch die typischen Merkmale einer Algenblüte und erschien grün und trüb. Dieses interessante Phänomen veranschaulicht, dass die AZ-Konzentration in den Mikrokosmen zwar nach 15 Tagen unter der Nachweisgrenze lag (Abb. 1d), die hohe Variabilität im Primärstadium aber noch bis zu 50 Tage lang anhaltende Auswirkungen hat (Additional file 1: Abbildung S8). Die AZ-Rückstände wurden in den Gewässern in großem Umfang nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass diese Gewässer möglicherweise einmal kurzzeitig durch eine hohe AZ-Konzentration belastet waren. Das gelöste AZ nahm in den Mikrokosmen schnell ab (Abb. 1d) und sank nach 15 Tagen Algenkultur unter die Nachweisgrenze, was darauf hindeutet, dass das gelöste AZ in den Mikrokosmen schnell abgebaut wurde. In natürlichen Wassersystemen kann AZ von Plankton aufgenommen, an organische Oberflächen und Sedimente adsorbiert oder durch biologischen Abbau und Photolyse abgebaut werden. Daher ist davon auszugehen, dass die AZ-Spitzenkonzentration viel höher ist als die in Seen, Flüssen oder Grundwasser festgestellten gelösten Konzentrationen von 0,01 bis 29,70 μg L-1 , was darauf hindeutet, dass Fungizidkonzentrationen, die den in unseren Versuchen verwendeten nahe kommen, durchaus vorübergehend auftreten und langfristige negative Auswirkungen haben können. So konnten beispielsweise Rückstände des Fungizids Thiram® im Bereich von 0,27-2,52 mg L-1 im Oberflächenwasser in der Umgebung der behandelten Parzellen nachgewiesen werden. Darüber hinaus existieren verschiedene andere Fungizide, die mit AZ interagieren können, in aquatischen Systemen (oft an Sedimenten adsorbiert) und können durch die Remobilisierung im Sediment wieder ins Oberflächenwasser gelangen. Daraus folgt, dass hohe AZ-Konzentrationen in der Umwelt (zumindest sporadisch) toxische Wirkungen auf aquatische Mikroorganismen haben können, während sie paradoxerweise das Wachstum von Cyanobakterien begünstigen.

Die Kontamination mit Fungiziden geht in Gewässern in der Nähe landwirtschaftlich genutzter Regionen, in denen es häufig zu Cyanobakterienblüten kommt, stets mit einer Nährstoffüberanreicherung einher. Wir können davon ausgehen, dass die Eutrophierung und die AZ-Kontamination in einem begrenzten Wassergebiet in der Nähe von Anbauflächen nach Regenfällen gleichzeitig auftreten, was zu dramatischen Veränderungen der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft führt und Cyanobakterienblüten fördert. Diese Cyanobakterien können nach den nächsten Regenfällen in andere Gewässer übertragen werden. Sie verändern dann die Struktur der Lebensgemeinschaften in den kontaminierten Gewässern und tragen zur Eutrophierung der nahe gelegenen Gewässer bei. Es ist bekannt, dass das mikrobielle ökologische Netzwerk sein eigenes Gleichgewicht hat, das durch Eutrophierung verändert werden könnte. Diese Studie deutet darauf hin, dass Fungizide eine wichtige Rolle bei der Förderung von HCBs durch komplexe Wechselwirkungen im Netzwerk der Gemeinschaften spielen können.