Oddělení mikrobiální ekologie vody

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V Oddělení mikrobiální ekologie vody se zabýváme výzkumem mikroskopických organismů, které žijí ve sladkých vodách. Předmět našeho zájmu, vodní mikroorganismy, se podle funkce dělí na dvě skupiny, z nichž první (autotrofové) je tvořena mikroskopickými řasami a sinicemi (souhrnně nazývanými fytoplankton) a je zodpovědná za tvorbu nové organické hmoty fotosyntézou. Druhou skupinu tvoří heterotrofové – jsou to bakterie a prvoci, kteří naopak spolupracují na rozkladu odumřelé organické hmoty. Protože se metodické přístupy ke studiu obou skupin liší, fungují z praktických důvodů v našem oddělení dvě úzce provázané pracovní skupiny, zaměřené (1) na studium ekologie vodních bakterií a prvoků, a (2) na studium ekologie fytoplanktonu.

Skupina ekologie vodních baktérií se zabývá taxonomií sladkovodních bakterií, jejich biogeografií, funkcí, a jejich zapojením do potravních řetězců. V taxonomii sladkovodních bakterií studujeme, jaké bakterie vůbec ve vodách žijí – jsou to jen určité druhy nebo skupiny. Soustřeďujeme se na dvě typické skupiny sladkých vod (včetně našich): betaproteobakterie a aktinobakterie. Používáme molekulární metody, založené na studiu genetické informace bakterií. Významné úspěchy jsme dosáhli při izolaci a kultivaci vodních bakterií unikátními metodami, vyvinutými našimi pracovníky.

Biogeografie vodních bakterií je obor teprve shromažďující základní poznatky (kde se které bakterie vyskytují a proč) a naši pracovníci významně přispívají k jejímu rozvoji. Studujeme také unikátní mikrobiální společenstva v okyselených šumavských jezerech a vývoj mikrobiálního osídlení jezera vznikajícího v zaplavovaném hnědouhelném lomu.

Mezi klasické obory vodní mikrobiologie patří studium funkce vodních bakterií (jaký typ organických látek rozkládají a využívají, jak rychle rostou) a jejich dalšího osudu ve vodním prostředí (bakteriemi se živí prvoci a drobní živočichové a napadají je viry). Současným obecným trendem, ke kterému přispíváme významnými poznatky, je dovedení tohoto studia na co nejvyšší úroveň taxonomického rozlišení (jednotlivé druhy či skupiny bakterií a prvoků). Ve světě jsou ceněny zejména práce profesora Karla Šimka (jenž patří mezi nejcitovanější české ekology), které zásadně přispívají k pochopení vztahů mezi bakteriemi, prvoky a viry: prvoci ovlivňují složení baktérií tím, že upřednostňují jako potravu různé druhy, typy, nebo velikosti bakterií. Tím se mění rychlost přenosu organické hmoty potravními řetězci přes zooplankton až k rybám.

 

Skupina ekologie fytoplanktonu se zabývá výzkumem mikroskopických řas a sinic (tj. souhrnně fytoplanktonem) z hlediska jeho taxonomie, ekologie, ekofyziologie a interakce s bakteriemi. V taxonomii sinic, známých jejich schopností tvořit nepříjemné a nebezpečné vodní květy, patří naše oddělení mezi významná světová pracoviště. Cílem je popis a spolehlivé rozlišení jednotlivých druhů za použití kombinace klasických (mikroskopie) a moderních přístupů (molekulární metody). Na našem pracovišti se nachází unikátní sbírka několika set kmenů sinic a řas izolovaných z různých druhů sladkých vod.

V ekologii fytoplanktonu hledáme faktory zodpovědné za to, že se dané druhy nebo skupiny řas či sinic vyskytují v daný čas na daném místě. Studujeme kompetici mezi druhy fytoplanktonu (soutěž o zdroje), vliv extrémních srážek na složení fytoplanktonu a na jeho rozdílnost v různých místech údolních nádrží, a dále dlouhodobé změny ve složení fytoplanktonu v závislosti na globální změně klimatu. V ekofyziologii řas a sinic hledáme vztahy mezi vlastnostmi jednotlivých druhů a jejich schopností uplatnit se ve vodním ekosystému.

Máme významné postavení v používání a vývoji moderních fluorescenčních metod, umožňujících označit buňky speciálními svítícími značkami a v mikroskopu na základě toho srovnávat vlastnosti jednotlivých buněk (produkci určitých látek, rychlost růstu, neporušenost či životaschopnost). Při studiu interakce fytoplanktonu a bakterií jde o výzkum faktorů ovlivňující produkci organických látek fytoplanktonem a jejich vliv na složení, aktivitu a růst bakterií.  

Vybrané publikace:
Ghai R., Mehrshad M., Megumi Mizuno C., Rodriguez-Valera F. (2017) Metagenomic recovery of phage genomes of uncultured freshwater actinobacteria. The ISME Journal 11: 304–308.
DOI: 10.1038/ismej.2016.110
Valdespino-Castillo P., Alcántara-Hernández R., Merino-Ibarra M., Alcocer J., Macek M., Moreno-Guillén O., Falcón L. (2017) Phylotype Dynamics of Bacterial P Utilization Genes in Microbialites and Bacterioplankton of a Monomictic Endorheic Lake. Microbial Ecology 73: 296–309.
DOI: 10.1007/s00248-016-0862-1

Všechny publikace (417)

Řešené výzkumné projekty

Objasnění životních strategií sladkovodních virů pomoci metagenomiky

Projekt číslo: 17-04828S

Žadatel: Rohit Ghai

Zdroj financování: Grantová agentura ČR

Doba řešení: 2017 - 2019

Viry jsou nejhojnější biologické entity na planetě, nejméně o jeden řád početnější než jejich mikrobiální hostitelé ve vodním prostředí. Přes jejich hojnost zůstává studium virů pomocí kultivace s izolovanými mikroorganismy výzvou, a to vzhledem ke složitosti získávání axenických kultur významných mikrobiálních skupin. Tato situace je ještě zajímavější ve sladkých vodách, kde je dostupnost těchto axenických kultur stále poměrně omezená.

Navrhujeme dlouhodobý metagenomický přístup založený na dvou dobře prozkoumaných sladkovodních nádržích. Cílem je umožnit prvotní pohled na významné bakteriofágy s dvouřetězcovou DNA ve sladkých vodách. Chceme propojit tyto fágy, které zatím nemáme v kultivacích, s jejich hostitelem, a to jak pomocí stávajících přístupů založených na sekvencích, tak pomocí nových metod, které sami vyvineme. Především se zaměříme na životní strategie volně žijících virů a jejich vývoj při soužití s hostitelskými mikroby. Kromě toho očekáváme nové poznatky o faktorech, které ovlivňují sezónní dynamiku a globální biogeografii fágů a hostitelských populací.

Rybníky jako modely pro studium diversity a dynamiky planktonu hypetrofních mělkých jezer

Projekt číslo: 17-09310S

Žadatel: Jaroslav Vrba, Přírodovědecká fakulta, Jihočeská Univerzita v Českých Budějovicích

Spolužadatel: Jiří Nedoma

Zdroj financování: Grantová agentura ČR

Doba řešení: 2017 – 2019

Cílem projektu je prozkoumat diverzitu a dynamiku planktonu, hlavní zástupce a jejich funkční vlastnosti, a stanovit primární produkci, respiraci, mobilizaci živin a účinnost produkce v hypertrofních rybnících, což umožní testovat a zpřesnit s tím spojené obecné ekologické hypotézy.

Rybníky jsou přírodě blízké, člověkem řízené, mělké ekosystémy využívané k produkci ryb. Rozdílné hospodaření navozuje různé ekologické situace, což z rybníků činí unikátní modelové ekosystémy. Přísun živin a vysoké rybí obsádky způsobily, že mnoho rybníků dosahuje hypertrofie, avšak znalosti o interakcích v planktonu za těchto podmínek jsou nedostatečné. Chybí údaje o úrovni primární produkce, intenzitě respirace i diverzitě a funkci heterotrofních mikrobiálních potravních sítí v živinami přetížených vodách, stejně jako o vlivu ryb na strukturu těchto sítí. Budeme testovat hypotézy, že v hypertrofních podmínkách se prohlubuje heterotrofní charakter ekosystému, roste podíl heterotrofní mikrobiální biomasy a mobilizace živin, snižuje se čistá produkce a klesá efektivita využívání živin rybami. Intenzivní fotosyntéza a respirační procesy v podmínkách vysoké mikrobiální (auto- i heterotrofní) biomasy zvyšují nestabilitu systému a způsobují nízkou účinnost produkce, což vede k vyšší diverzitě (zejména mikrobiální) planktonu díky nárůstu počtu nových nik.

Bioaktivní sinicové lipopeptidy: analýza genomových dat, detekce a vztah struktury a biologické aktivity

Projekt číslo: 16-09381S

Žadatel: RNDr. Pavel Hrouzek Ph.D., Mikrobiologický ústav AV ČR

Spoluřešitel: RNDr. Jan Mareš Ph.D.

Zdroj financování: Grantová agentura ČR

Doba řešení: 2016 – 2018

Projekt je zaměřen na detekci bioaktivních lipopeptidů a genů pro syntézu lipopeptidů v sinicích. Sinice potenciálně produkující lipopeptidy budou identifikovány na základě průzkumu genomových databází. Následně budou navrženy a testovány metody pro molekulární (PCR) a chemickou detekci lipopeptidů v laboratorních kmenech a environmentálních vzorcích sinic. Bioaktivita lipopeptidů bude zjišťována pomocí in vitro testů na lidských rakovinných buněčných liniích a fytopatogenních houbách. Lipopeptidy vykazující silnou bioaktivitu budou purifikovány a bude objasněna jejich chemická struktura. Bude zhodnocen vztah chemické struktury k bioaktivním účinkům a možné využití pro farmaceutické a biotechnologické účely. U kmenů produkujících nejzajímavější látky, avšak dosud postrádajících genomová data, bude provedeno celogenomové sekvenování. To nám umožní identifikovat nové genové klastry pro syntézu lipopeptidů a predikovat průběh jejich biosyntézy. Dále bude zkoumána fylogenetická a environmentální distribuce sinic produkujících lipopeptidy a evoluce genů pro syntézu lipopeptidů.

Odezvy fytoplanktonu na změny životního prostředí – co se můžeme dozvědět z 30letého monitorování nádrže Římov

Projekt číslo: 15-13750S

Žadatel: Petr Znachor

Zdroj financování: Grantová agentura ČR

Doba řešení: 2015 – 2017

Sladkovodní jezera a nádrže jsou citlivými indikátory klimatických změn. Studium dlouhodobých časových řad ukazuje, že globální změna klimatu ovlivňuje fyziologii organismů, početnost populací a strukturu společenstev a potravních sítí. Ve vodních ekosystémech představuje fytoplankton základní článek potravního řetězce a jeho dynamika závisí na sezónních změnách teploty, míchání vodního sloupce, dostupnosti živin a žíru zooplanktonem. Všechny tyto procesy jsou změnou klimatu ovlivněny. V navrhovaném projektu chceme s použitím 30leté časové řady dat z nádrže Římov objasnit mechanismy zodpovědné za meziroční variabilitu fytoplanktonu. Budeme se zabývat zejména změnami načasování jednotlivých fází sezónního cyklu (fenologie) fytoplanktonu, který bude hodnocen na základě funkčních skupin.

Charakteristiky životních strategií vybraných skupin Betaproteobacteria ve vztahu k jejich roli v přenosu uhlíku do vyšších trofických hladin

Projekt číslo: 13-00243S

Žadatel: Karel Šimek

Zdroj financování: Grantová agentura ČR

Doba řešení: 2017 – 2019

Navrhujeme výzkum životních strategií bakterií a charakteristik genomu reprezentativních kmenů ze dvou klíčových skupin Betaproteobacteria, rodu Limnohabitans a rodu Polynucleobacter, jejichž ekofyziologické vlastnosti a pro ně typická vodní prostředí jsou velmi odlišná. Předpokládáme, že různé druhy těchto skupin bakterií, které jsou početné v přírodních vodách, se liší jak růstových potenciálem, tak i rychlostí, s jakou jsou pohlcovány bičíkovci. Právě interakce bakterie – fagotrofní bičíkovci také významně ovlivňuje jejich roli v toku uhlíku do vyšších trofických úrovní. Úspěšně jsme izolovali velkou sbírku kmenů z obou cílových skupin bakterií, která umožní studium jejich diverzity, ekologických a genomických charakteristik. Navrhujeme soubor specifických in situ pokusů, které usnadní testovat fyziologické charakteristiky a přenos uhlíku z testových skupin (ale i z jednotlivých kmenů) bakterií do bičíkovců v pěti různých nádržích a jezerech. Tato data přinesou nové náhledy do životních strategií planktonních bakterií a umožní i určitou revizi jejich současných konceptů.

KONTAKT

Biologické centrum AV ČR, v.v.i.
Hydrobiologický ústav
Na Sádkách 702/7
370 05 České Budějovice

NAJÍT PRACOVNÍKA