One scientist’s quest to map the trillions of microbes in the Great Lakes

如果你吞下密歇根湖的一滴水,它将含有大约100万个细菌细胞和1000万个噬菌体——一种感染细菌的微小病毒,其数量可能超过地球上所有其他生物。

芝加哥大学地球物理科学系的助理教授科尔曼说:“最近人们对人类微生物群系有很多兴趣。“但湖泊也有微生物群。”

科尔曼的实验室研究微生物群落如何适应、相互作用和共同进化,幸运的是,附近的密歇根湖和五大湖是研究细菌及其追随者的优秀模型系统。


2012年,当科尔曼来到校园时,她惊讶地发现,还没有人系统地研究过五大湖的微生物群。所以在过去的8个夏天里,她和她的团队与环境保护局合作,就这样做了。(自1983年以来,EPA一直在追踪湖区的水质和一些多细胞生物,但它的研究没有包括对细菌、古细菌和病毒的系统采样。)

即将发表在《环境微生物学》杂志上的一篇论文详细介绍了该实验室完成第一个微生物时间序列的开创性工作的一些结果。该时间序列是对来自同一地点的水样在不同时间内的种群数量进行的创新性比较,覆盖了所有五大湖区。

为什么要涉足如此雄心勃勃的研究项目呢?因为微生物有许多重要的生态功能。首先,科尔曼说,他们处理所有来自土地的径流,包括“所有的化肥,所有的杀虫剂,所有来自芝加哥的污染——尽管不是我们的污水,因为我们把污水排放到河里。”“它们也是食物网的基础。“举例来说,如果你对渔业感兴趣,你还需要关注食物链最底层的情况。”


此外,微生物通过指示环境条件的变化来充当“变化的哨兵”。科尔曼引用了2014年发生在俄亥俄州托莱多的一起事件,当时伊利湖蓝藻爆发产生的毒素污染了饮用水。检测这些变化并了解它们是如何发生的,可以帮助科学家预测和减轻气候变化或土地利用变化的一些有害影响。

科尔曼说,五大湖“每个湖都有自己独特的特点——伊利湖和苏特利湖非常、非常不同——但同时,它们又相互关联。”虽然这使它们在理论上成为一个有趣的系统,但这些湖泊本身也是有价值的,提供了世界20%的液态淡水。在很大程度上,保持这种珍贵的、广受欢迎的资源的良好状态,是一个跟随微生物信号的问题。

“解决问题的欲望”

科尔曼从麻省理工学院土木与环境工程专业获得博士学位。“我根本没有资格建一座桥或做任何事,”她说。“但我仍然带着解决问题的渴望,而不是为了纯粹热爱理论和基础而学习基础科学。”

科尔曼将野外工作和实验室工作描述为互补的:野外的发现可以激发你在家里测试的假设。在实验室里,科尔曼的团队使用一种叫做转座子测序的技术从微生物中剔除基因,并观察由此产生的功能差异。

“用这种方法,你可以进行全球范围的基因删除,然后基本上并行地测试所有这些基因的功能。这样的实验是很有需求的:科学家们在发现微生物基因方面做得如此之好,以至于已经发现的微生物基因比我们所了解的要多出数千个。

对科尔曼来说,微生物学领域的未知是一个熟悉而又令人羞愧的事实。她的博士研究方向是光合蓝藻原绿球菌——一种生物,尽管是地球上数量最多的细菌之一,但直到1986年才被包括科尔曼的顾问莎莉·“佩妮”·w·奇泽姆(Sallie ” Penny ” W. Chisholm)在内的一个团队发现。科尔曼说,今天的测序技术“为我们提供了一种新的工具,可以计算出我们还不知道多少。”

——改编自芝加哥大学(University of Chicago)杂志上首次刊登的一个故事。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/one-scientists-quest-map-trillions-microbes-great-lakes