I bioindicatori batterici consentono la classificazione dello stato biologico lungo il fiume Danubio continentale

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 862 (2023) Citare questo articolo

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Nonostante l’importanza dei batteri negli ecosistemi acquatici e i loro prevedibili modelli di diversità nello spazio e nel tempo, gli strumenti di biomonitoraggio per la valutazione dello stato basati su questi organismi sono ampiamente carenti. Ciò è in parte dovuto a dati e modelli insufficienti per identificare predittori microbici affidabili. Qui mostriamo il metabarcoding in combinazione con statistiche multivariate e l'apprendimento automatico consente di identificare bioindicatori batterici per i sistemi di classificazione dello stato biologico esistenti. Le dinamiche della diversità beta batterica seguono i gradienti ambientali e le associazioni osservate evidenziano potenziali bioindicatori per i risultati ecologici. I collegamenti spazio-temporali che attraversano le comunità microbiche lungo il fiume consentono una previsione accurata dello stato biologico a valle dalle informazioni a monte. L'analisi di rete sui vearianti della sequenza dell'amplicone identifica come buoni indicatori i generi Fluviicola, Acinetobacter, Flavobacterium e Rhodoluna e rivela una ridondanza informativa tra i taxa, che coincide con la correlazione tassonomica. La ridondanza tra i bioindicatori batterici rivela taxa mutuamente esclusivi, che consentono un'accurata modellazione dello stato biologico utilizzando solo 2-3 varianti di sequenza amplicone. Pertanto, i nostri modelli mostrano che l'utilizzo di alcune varianti della sequenza di ampliconi batterici provenienti da generi distribuiti a livello globale consente la valutazione dello stato biologico lungo i sistemi fluviali.

Negli ultimi decenni, la conservazione e il ripristino degli ecosistemi fluviali a rischio di estinzione sono diventati fondamentali in tutto il mondo. In Europa, la valutazione dello stato ecologico si basa su diversi indicatori, tra cui parametri fisici, chimici e biologici. Gli indicatori biologici comprendono diversi componenti delle comunità che vivono negli ecosistemi di acqua dolce: pesci, macroinvertebrati, flora acquatica compreso fitoplancton, fitobenthos e macrofite. Finora è stata prestata poca attenzione ai procarioti1,2,3, ad eccezione della valutazione della qualità dell'acqua correlata alla salute, come quella per la balneazione o l'acqua potabile4,5,6,7.

I procarioti, a causa delle loro piccole dimensioni e dell'elevato rapporto superficie-volume, sono estremamente sensibili ai cambiamenti ambientali, comprese le variazioni di nutrienti o inquinanti anche a concentrazioni molto basse8. Questa capacità li rende candidati perfetti come bioindicatori e sentinelle di allarme precoce, in grado di rispondere rapidamente a qualsiasi segnale di stress nell’ambiente9. La necessità di indici biologici basati sui procarioti è stata sottolineata più volte da diversi autori e sono stati proposti molteplici approcci per introdurre queste comunità nelle attuali reti di biomonitoraggio per ambienti di acqua dolce e marini10.

I primi tentativi di identificare taxa batterici idonei come bioindicatori per la caratterizzazione dello stato biologico sono stati effettuati da Fortunato et al.11 nel fiume Columbia e nel suo estuario. Sono stati in grado di identificare più taxa di comunità di batterioplancton specifiche per varie stagioni e tipi di habitat. Aylagas et al.12 sono andati oltre e hanno utilizzato un indice di stato biologico basato sui macroinvertebrati bentonici come base metodologica per sviluppare un indice comparabile utilizzando taxa batterici dal sequenziamento dell'amplicone di rRNA 16S. I taxa batterici sono stati divisi in due gruppi ecologici in base alla loro associazione positiva o negativa con gli input di inquinamento sia organico che inorganico. L'indice microgAMBI che hanno sviluppato si basa sull'abbondanza relativa dei taxa associati a ciascuno dei due gruppi ecologici. Inoltre, questo studio ha rivelato una correlazione significativa tra l’indice batterico di nuova concezione e il metodo di classificazione tradizionale basato sui macroinvertebrati, mostrando in alcuni casi prestazioni migliori del primo. Ciò ha sottolineato che i batteri e lo stato ecologico possono essere collegati e che gli indici basati sui batteri possono essere validi indicatori per la valutazione dell'impatto ambientale e la classificazione della qualità dell'acqua nelle aree costiere.