6.2 Инструменты для изучения микробных сообществ

Новые технологии для изучения того, как микробные сообщества меняются с течением времени и какие группы организмов преобладают в конкретных условиях окружающей среды, все чаще открывают возможности для прогнозирования неблагоприятных последствий в рамках компонентов системы и, таким образом, приводят к разработке более совершенных датчиков и тестов эффективный мониторинг микробных сообществ в рыбных или растительных культурах. Например, различные технологии «омики» — метагеномика, метаранскриптомика, протеомика сообщества, метаболомика — все чаще позволяют исследователям изучать разнообразие микробиоты в РАН, биофильтры, гидропоники и системы илового дигестора, где отбор проб включает целые микробные сборки вместо заданный геном. Анализ прокариотического разнообразия, в частности, был чрезвычайно полезен в последние десятилетия метагеномическими и метаранскриптомическими методами. В частности, усиление и последовательный анализ гена 16S рРНК, основанный на внутривидовом сохранении нейтральных генных последовательностей фланкирующих рибосомальных оперонов в бактериальной ДНК, рассматривается как «золотой стандарт» для таксономической классификации и идентификации бактериальных видов. Такие данные также используются в микробиологии для отслеживания эпидемий и географического распределения и изучения популяций бактерий и филогений (Bouchet et al. 2008). Методология может быть трудоемкой и дорогостоящей, однако современные автоматизированные системы, хотя и не обязательно дискриминационные на уровне видов и штаммов, открывают возможности для применения в условиях аквапоники (Schmautz et al. 2017). В последних обзорах обобщаются заявки 16S РРНК в той мере, в какой они относятся к РАН (Мартинес-Порчас и Варгас Альборес 2017; Мунгия-Фрагозо и др. 2015; Рурангва и Вердегем 2015). Достижения в метагеномике микробов, отличных от бактерий, найденных в РАС и гидропонике, опираются на аналогичные методологии, но используют 18S (эукариоты), 26S (грибы) и 16S в сочетании с библиотеками клонов 26S (дрожжи) РНК для характеристики этих микробиоты (Martínez-Porchas и VargasAlbores 2017). Подробные библиотеки РРНК, например, также используются в гидропонике для характеристики микробных сообществ в ризосфере (Oburger and Schmidt 2016). Такие библиотеки могут быть особенно полезны в аквапонике, поскольку они могут изучать ассемблер микроорганизмов, таких как бактерии, археи, простейшие и грибы, и обеспечивать обратную связь об изменениях в системе.

Разработка автоматизированного секвенирования следующего поколения (NGS) также позволила проанализировать данные геномов из популяционных образцов (метагеномика), которые могут быть использованы для характеристики микробиоты, выявления временно-пространственных филогенетических изменений и микроорганизмов. Применение в РАС включает отслеживание некоторых штаммов бактерий среди культивированных рыб и устранение популяций, несущих вирулентные штаммы, при сохранении носителей других штаммов (обзор: (Bayliss et al. 2017). Метагеномные подходы могут быть независимыми от культуры и усиления, что позволяет ранее некультурным видам стать известны и исследованы на предмет их возможного воздействия (Martínez-Porchas and Vargas-Albores 2017). Методы секвенирования следующего поколения широко используются в микробиологии растений наряду с последующим метаранскриптомическим анализом. Прекрасным примером является первое цельнорастительное исследование микробных сообществ в ризосфере, где корневые экссудаты были показаны коррелирование со стадиями развития (Knief 2014).

Протеомика наиболее полезна при изучении конкретного вида бактерий или штамма в конкретных условиях окружающей среды, чтобы описать его патогенность или возможную роль в симбиозе. Тем не менее, имеются достижения в области протеомики сообществ, которые основываются на предыдущих метагеномных исследованиях и используют различные биохимические методы для выявления, например, секретируемых белков, связанных с коммисальными или симбиотическими микробными сообществами, и дополнительные возможности расширяются по мере того, как технологии NGS быстро развиваться (обзор: (Knief et al. 2011).

Метаболомика характеризует функции генов, но методы не являются специфическими для организма или секвенс-зависимыми и, таким образом, могут выявить широкий спектр метаболитов, являющихся конечными продуктами клеточной биохимии в организмах, тканях, клетках или клеточном отсеке (в зависимости от того, какие образцы анализируются). Тем не менее, знания о метаболоме микробных сообществ в конкретных условиях окружающей среды (микрокосмы) свидетельствуют о биогеохимическом круговороте питательных веществ и последствиях возмущений. Такие знания характеризуют различные метаболические пути и диапазон метаболитов, присутствующих в образцах. Последующие биохимические и статистические анализы могут указывать на физиологические состояния, которые, в свою очередь, могут быть коррелированы с параметрами окружающей среды, которые могут быть неочевидны при геномном или протеомном подходах. Тем не менее, сочетание метаболомики с исследованиями функции генов имеет огромный потенциал для дальнейшего развития исследований аквапоники; см. обзор (van Dam and Bouwmeester 2016).