Когда местное агентство по управлению водными ресурсами закрывает ваш любимый пляж из-за нездорового качества воды, насколько надежны тесты, на которых они основывают свои решения? Как оказалось, эти тесты, а также стоящие за ними стандарты не обновлялись десятилетиями. Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) разработали высокоточный метод на основе ДНК для обнаружения и различения источников микробного загрязнения в воде.
Использование удостоенного наград PhyloChip, устройства размером с кредитную карту, которое может обнаруживать присутствие более 60 000 видов бактерий и архей, показало, что новый метод более чувствителен, чем традиционные методы оценки состояния здоровья. риски. В ходе испытаний на водоразделе реки Русская в Северной Калифорнии исследователи из лаборатории Беркли обнаружили случаи, когда их метод выявлял потенциальные риски для здоровья человека, которые не могли обнаружить обычные фекальные индикаторные тесты. И наоборот, они также обнаружили случаи, когда обычные тесты помечали бактерии, которые вряд ли представляли опасность для здоровья человека.
Исследование проводилось Эриком Дубински и Гэри Андерсеном, микробиологами-экологами из лаборатории Беркли, и недавно было опубликовано в журнале Water Research в статье под названием «Отслеживание микробных источников в нарушенных водоразделах с использованием PhyloChip и классификации машинного обучения».. Стивен Буткус из Регионального совета по контролю качества воды Северного побережья, который поддерживал часть исследования, также был соавтором.
«С помощью PhyloChip в ходе ночного теста мы можем получить полную картину микроорганизмов в любом заданном образце», - сказал Дубинский. «Вместо того, чтобы нацеливаться на один организм, мы, по сути, получаем отпечаток микробного сообщества потенциальных источников в этом образце. Так что это дает нам более полную картину того, что происходит. Это новый способ отслеживания источника."
В настоящее время местные водные агентства собирают пробы воды, культивируют бактерии в течение ночи, а затем проверяют уровень роста двух типов бактерий, кишечной палочки и энтерококка, которые, как предполагается, являются индикаторами фекального загрязнения.
Сила PhyloChip
Однако этот метод не различает источники¬. Бактерии могли попасть от людей, коров, уток, сточных вод или даже от гниющей растительности.
«Эти тесты использовались десятилетиями и относительно примитивны», - сказал Дубинский. «Еще в 1970-х годах, когда был разработан Закон о чистой воде, и у нас были сточные воды, которые в основном попадали в наши воды, эти тесты работали очень хорошо. Эпидемиологические исследования показали связь этих бактерий с уровнем заболеваемости людей, которые использовали воду. не обязательно вызывают у вас заболевание, но они обнаруживаются в сточных водах и фекалиях. Вот почему они измеряются."
По мере того, как загрязнение из точечных источников - единичных идентифицируемых источников, таких как сточные воды, - со временем устранялось, возникала озабоченность по поводу так называемых неточечных или диффузных источников по всему водоразделу, таких как сельскохозяйственные угодья.
«Сейчас картина намного сложнее, чем тогда, когда речь шла действительно о точечных источниках», - добавил Дубинский.
PhyloChip, разработанный Андерсеном и несколькими другими учеными из лаборатории Беркли, использовался для ряда медицинских, сельскохозяйственных и экологических целей, включая изучение загрязнения воздуха, экологии коралловых рифов и условий окружающей среды Мексиканский залив после разлива нефти BP. С помощью 1 миллиона зондов он идентифицирует микробы на основе вариаций определенного гена без необходимости культивирования.
«Около семи лет назад мы начали заниматься качеством воды и поняли, что PhyloChip может предоставить принципиально новый и улучшенный метод отслеживания источника», - сказал Андерсен.
Библиотека какашек
Определение источника любого конкретного патогена - непростая задача. В большинстве случаев отдельный микроб не является окончательным маркером животного или другого источника. «Микробное сообщество сложное, - сказал Дубинский. «У коровы может быть 1000 различных организмов».
Итак, у Андерсена и Дубинского возникла идея. «У нас был Лале Коте, стажер в то время, а теперь сотрудник лаборатории, который бегал и в основном собирал какашки со всех видов животных», - сказал Андерсен. «С тех пор мы создали справочную библиотеку микробных сообществ, которые встречаются в различных типах экскрементов - у нас есть коровы, лошади, еноты, люди, различные виды птиц, свиньи, морские львы и другие животные, как а также сточных вод и септажа. Мы использовали эту библиотеку для разработки модели."
Новый метод берет неизвестный образец и сравнивает его с эталонной библиотекой микробов. «Мы использовали PhyloChip так, как он не использовался раньше, используя модели машинного обучения для анализа данных с целью обнаружения и классификации источников», - сказал Андерсен.«По сути, это дает вам статистическую вероятность того, что микробное сообщество произошло из определенного источника».
Они подтвердили свой метод, сравнив его примерно с 40 другими методами отслеживания источников микробов в исследовании в Калифорнии. «Мы были единственным методом, который мог обнаружить все источники и определить их правильно», - сказал Дубинский.
Если источником является животное, которого нет в справочной библиотеке, их метод все равно может указать вам правильное направление. «Например, в этом исследовании одним образцом была курица, - сказал Дубинский. «Мы не анализировали кур, но у нас были гуси, чайки и голуби. Мы все же смогли определить, что образец принадлежал птице».
В ходе обширных испытаний по всему бассейну реки Русская, которые не соответствуют Закону о чистой воде, исследователи из лаборатории Беркли обнаружили широко распространенное загрязнение человеческими источниками вблизи районов, где сообщества полагаются на стареющие септические резервуары.
Они также обнаружили значительное человеческое загрязнение сразу после джазового фестиваля в выходные дни, в то время как тестирование обычными методами дало гораздо более слабый сигнал после временной задержки в пару дней. «Наш метод более чувствителен к заражению человека, чем тесты на фекальные индикаторы», - сказал Дубинский.
Следующие шаги
В настоящее время команда работает над характеристикой микробного сообщества встречающихся в природе кишечных палочек и энтерококков, используя Гавайи с их теплыми водами в качестве испытательного полигона. «Они могут встречаться естественным образом в отложениях, разлагающихся водорослях и растительности», - сказал Дубинский. «Известно, что они это делают, но никто не разработал тест, чтобы окончательно это показать».
Исследователи также смогут изучить, влияет ли климат на микробные сообщества. «Похожа ли гавайская корова на калифорнийскую корову с точки зрения состава фекальных бактерий? Это хороший вопрос, и мы сможем это выяснить», - сказал он.
Они тесно сотрудничают с Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которое изучает новые технологии для того, что оно называет «соответствием требованиям следующего поколения». В конечном счете, цель состоит в том, чтобы развить их метод - возможно, с помощью уменьшенной версии PhyloChip - до такой степени, что его можно будет использовать повсеместно в любом месте и неспециалистами.
Дубинский говорит, что этот метод также должен быть полезен в связи с растущей проблемой цветения водорослей, чтобы понять, например, процессы, посредством которых они образуются, микробную динамику до и после производство на Среднем Западе связано с цветением водорослей в Великих озерах, вопрос, который они изучают совместно с Агентством по охране окружающей среды.