Když místní vodohospodářská agentura zavře vaši oblíbenou pláž kvůli nezdravé kvalitě vody, jak spolehlivé jsou testy, na kterých zakládají svá rozhodnutí? Jak se ukázalo, tyto testy, stejně jako standardy za nimi, nebyly aktualizovány po celá desetiletí. Nyní vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vyvinuli vysoce přesnou metodu založenou na DNA k detekci a rozlišení zdrojů mikrobiální kontaminace ve vodě.
Pomocí oceněného PhyloChip, zařízení o velikosti kreditní karty, které dokáže detekovat přítomnost více než 60 000 druhů bakterií a archaea, bylo zjištěno, že nová metoda je citlivější než konvenční metody při hodnocení zdraví. rizika. Při testech v povodí ruské řeky v severní Kalifornii výzkumníci z Berkeley Lab našli případy, kdy jejich metoda identifikovala potenciální rizika pro lidské zdraví, která konvenční testy fekálních indikátorů nedokázaly odhalit. Naopak také našli případy, kdy konvenční testy označily bakterie, které pravděpodobně nepředstavovaly riziko pro lidské zdraví.
Výzkum vedli Eric Dubinsky a Gary Andersen, mikrobiální ekologové z Berkeley Lab, a nedávno byl publikován v časopise Water Research v článku s názvem „Sledování mikrobiálních zdrojů v narušených povodích pomocí PhyloChip a klasifikace strojového učení." Steven Butkus z North Coast Regional Water Quality Control Board, který podpořil část výzkumu, byl také spoluautorem.
"S PhyloChipem můžeme v nočním testu získat úplný obrázek o mikroorganismech v jakémkoli daném vzorku," řekl Dubinsky. "Místo cílení na jeden organismus v podstatě získáváme otisk mikrobiální komunity potenciálních zdrojů v tomto vzorku. Poskytuje nám tedy komplexnější obrázek o tom, co se děje. Je to nový způsob sledování zdroje."
To, co místní vodohospodářské agentury v současnosti dělají, je odebírat vzorky vody, kultivovat bakterie přes noc a poté kontrolovat úroveň růstu dvou typů bakterií, E. coli a Enterococcus, o kterých se předpokládá, že jsou indikátory fekální kontaminace.
Síla PhyloChip
Tato metoda však nerozlišuje mezi zdroji¬. Bakterie mohly pocházet z lidí, krav, kachen, odpadních vod nebo dokonce rozkládající se vegetace.
"Tyto testy se používají po desetiletí a jsou relativně primitivní," řekl Dubinsky. "V 70. letech 20. století, kdy byl vypracován zákon o čisté vodě a kdy do našich vod v podstatě tekly odpadní vody, tyto testy fungovaly opravdu dobře. Epidemiologické studie ukázaly souvislost těchto bakterií s mírou onemocnění lidí, kteří vodu používali. Nemusí vás nutně onemocnět, ale nacházejí se v odpadních vodách a fekáliích. Proto se měří."
Vzhledem k tomu, že znečištění z bodových zdrojů – jednotlivých identifikovatelných zdrojů, jako jsou odpadní vody – bylo v průběhu času vyčištěno, nově vznikající problém se stal tím, čemu se říká nebodové zdroje nebo rozptýlené zdroje v celém povodí, jako je zemědělská půda.
"Obraz je nyní mnohem komplikovanější než tenkrát, kdy šlo o skutečně bodové zdroje," dodal Dubinsky.
PhyloChip, který vyvinul Andersen a několik dalších vědců z Berkeley Lab, byl použit pro řadu lékařských, zemědělských a ekologických účelů, včetně pochopení znečištění ovzduší, ekologie korálových útesů a environmentálních podmínek v Mexickém zálivu po úniku ropy BP. S 1 milionem sond identifikuje mikroby na základě variací specifického genu bez nutnosti kultivace.
„Asi před sedmi lety jsme začali pracovat na kvalitě vody a uvědomili jsme si, že PhyloChip by mohl poskytnout zásadně novou a vylepšenou metodu pro sledování zdroje,“řekl Andersen.
Knihovna hovínka
Určení zdroje jakéhokoli konkrétního patogenu není jednoduchý úkol. Ve většině případů není jediný mikrob definitivním markerem zvířete nebo jiného zdroje. "Mikrobiální komunita je složitá," řekl Dubinsky. "Kráva může mít 1000 různých organismů."
Andersen a Dubinsky měli nápad. "Nechali jsme Laleh Coté, v té době stážistu a nyní zaměstnance laboratoře, pobíhat a v podstatě sbírat hovno od všech druhů zvířat," řekl Andersen. „Od té doby jsme vyvinuli referenční knihovnu mikrobiálních komunit, které se vyskytují v různých typech hovínka – máme krávy, koně, mývaly, lidi, různé druhy ptáků, prasata, lachtany a další zvířata. stejně jako kanalizace a kanalizace. Tuto knihovnu jsme použili k vývoji modelu."
Nová metoda odebere neznámý vzorek a porovná jej s touto mikrobiální referenční knihovnou. „Použili jsme PhyloChip způsobem, který ještě nebyl použit, a to pomocí modelů strojového učení k analýze dat za účelem detekce a klasifikace zdrojů,“řekl Andersen."V podstatě vám to dává statistickou pravděpodobnost, že mikrobiální komunita pochází z určitého zdroje."
Ověřili svou metodu srovnáním s asi 40 dalšími metodami sledování mikrobiálních zdrojů v kalifornské studii. "Byli jsme jedinou metodou, která dokázala detekovat všechny zdroje a uvést je správně," řekl Dubinsky.
Pokud je zdrojem zvíře, které není v referenční knihovně, jejich metoda vás stále může nasměrovat správným směrem. "Například v této studii byl jeden vzorek kuře," řekl Dubinský. "Neanalyzovali jsme kuřata, ale měli jsme husy, racky a holuby. Stále jsme byli schopni určit, že vzorek byl pták."
Při rozsáhlém testování v celém povodí ruské řeky, které je v rozporu se zákonem o čisté vodě, výzkumníci z Berkeley Lab zjistili rozsáhlou kontaminaci lidskými zdroji v blízkosti oblastí, kde komunity spoléhají na stárnoucí septiky.
Zjistili také značnou kontaminaci lidmi bezprostředně po víkendovém jazzovém festivalu, zatímco testování konvenčními metodami poskytlo mnohem slabší signál po časové prodlevě několika dnů. "Naše metoda je citlivější na lidskou kontaminaci než ty fekální indikátorové testy," řekl Dubinsky.
Další kroky
Tým nyní pracuje na charakterizaci mikrobiální komunity přirozeně se vyskytujících E. coli a Enterococci, přičemž jako testovací půdu používá Havaj s jeho teplými vodami. "Mohou se přirozeně vyskytovat v sedimentech a rozkládajících se řasách a vegetaci," řekl Dubinsky. "Je známo, že ano, ale nikdo nevyvinul test, který by to definitivně ukázal."
Výzkumníci budou také schopni zkoumat, zda klima ovlivňuje mikrobiální komunity. "Vypadá havajská kráva z hlediska složení fekálních bakterií jako kráva z Kalifornie? To je dobrá otázka a něco, co budeme schopni zjistit," řekl.
Úzce spolupracují s americkou agenturou pro ochranu životního prostředí (EPA), která se zabývá novými technologiemi pro to, co nazývá „shoda nové generace“. Konečným cílem je vyvinout jejich metodu - možná se zmenšenou verzí PhyloChipu - do bodu, kdy ji bude možné univerzálně použít na jakémkoli místě a laiky.
Dubinsky říká, že tato metoda by měla být užitečná také s narůstajícím problémem rozkvětu řas, abychom například pochopili procesy, kterými se tvoří, mikrobiální dynamiku před a po rozkvětu a konkrétně, zda odtékají z hospodářských zvířat produkce na Středozápadě souvisí s květy řas ve Velkých jezerech, což je otázka, kterou vyšetřují s EPA.
