CC BY
69
Аннотация. В статье рассматривается новейший метод биоиндикации поверхностных вод, применяемый в мировой научной практике и тестируемый в Беларуси, основанный на получении и обработке данных средовой ДНК (вОМЛ) с использованием метабаркодинга. Затронуты вопросы важности создания и пополнения справочной библиотеки ДНК-баркодов индикаторных видов водных организмов, необходимых для репрезентативного анализа полученных данных при помощи вОМЛ-метабаркодинга. Рассматриваются международные проекты НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам, выполняемые в данном направлении. Ключевые слова: биоиндикация, мониторинг пресноводных экосистем, средовая ДНК (вОМЛ), метабаркодинг.
Для цитирования: Липинская Т., Гайдученко Е, Головенчик В., Семенченко В. Новейшие ДНК-технологии для биоиндикации поверхностных вод // Наука и инновации. 2020. №3. С. 81-84. https://doi.org/10.29235/1818-9857-2020-3-81-84
Татьяна Липинская,
ведущий научный сотрудник лаборатории гидробиологии НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам, кандидат биологических наук, tatsiana.lipinskaya@gmail.com
Елена Гайдученко,
ведущий научный сотрудник лаборатории ихтиологии НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам, кандидат биологических наук, gajduchenko@tut.by
Виктория Головенчик,
младший научный сотрудник лаборатории ихтиологии НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам, аспирант,
vika.golovenchik@mail.ru
Виталий Семенченко,
заведующий лабораторией гидробиологии НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам, член-корреспондент, semenchenko57@mail.ru
Защита, охрана и восстановление водных экосистем имеют глобальное значение для благополучия людей и играют жизненно важную роль в функционировании атмосферы. Контроль за состоянием качества поверхностных вод важен для разработки эффективных мер по их использованию и для принятия управленческих решений относительно водных ресурсов, поскольку они предоставляют основные экосистемные услуги, варьирующие от чистой воды и фильтрации загрязнителей до круговорота питательных веществ с прямым воздей-
ствием на общество. Эти решения должны быть основаны на научно аргументированной оценке текущего состояния водных объектов. Необходим комплексный подход к оценке состояния водных экосистем, при котором биологические оценки являются главными [1].
Биоиндикация - это метод анализа качества воды (как среды обитания гидробионтов) по видовому составу, показателям количественного развития видов-индикаторов и по структуре образуемых ими сообществ. Ее место и значение определяются выявлением последствий уже состоявшегося загрязнения водоема, результаты которого невозможно предсказать на основе гидрохимических определений.
ДИССЕРТАЦИОННЫЕ исследования
Рис. 1. Пример страницы индикаторного вида (личинка веснянки Nemoura flexuosa) из эталонной библиотеки ДНК-баркодов водных беспозвоночных Беларуси в базе данных BOLD
Основные принципы биоиндикации были разработаны Kolkwitz и Marsson в 1902 г. [2], которые ввели понятие сапробности и биологического самоочищения вод. В дальнейшем благодаря работам Pantle, Buck (1955 г.) [3] и Zelinka, Marvan (1966 г.) [4] была разработана методология системы сапробности. С тех пор биоиндикация представляет собой неотъемлемую частью мониторинга поверхностных вод и оценки качества воды.
Для биоиндикации применяют сообщества фитопланктона, фитоперифитона, зоопланктона, макрозообентоса и рыб. В странах ЕС на основе их структур разработаны подходы и методы определения экологического качества воды, утвержденные в 2000 г. в Европейской рамочной водной директиве (ЕРВД), призванной гармонизировать и унифицировать подходы к управлению водными ресурсами и их охране [5]. С начала 2000-х гг. множество раз была проведена оценка экологического статуса рек с помощью метода эталонных створов и различных биотических индексов, а также стандартизация и калибровка [6-10].
В мае 2015 г. после вступления в силу нового Водного кодекса Республики Беларусь был установлен новый подход к оценке экологического состояния водоемов [11]. Для его реализации разработаны технические нормативные правовые акты, позволяющие оценить гидробиологический и гидрохимический статус поверхностных водных объектов. Первый производится с помощью биоиндикации, основанной на изучении структуры гидробиоценозов и их отдельных компонентов. Определение статусов речной экосистемы осуществляется для участка реки в пункте наблюдений, озерной - для всего озера в целом. Следует отметить, что новый Водный кодекс содержит элементы ЕРВД, но тем не менее есть
НАУЧНАЯ ПУБЛИКАЦИЯ
и существенные различия, затрудняющие сопоставление результатов исследований на трансграничных участках рек республики и сопредельных стран.
Оценка экологического статуса в разных странах ЕС зависит от биотических индексов, а также таксономических групп и уровней определения биоразнообразия от семейства до вида [12]. Несмотря на то что способы биоиндикации ЕРВД уже разработаны, прошли сложную процедуру интеркалибровки для согласования между странами и применяются повсеместно, они все еще находятся в стадии интенсивного обсуждения, как и методы нового отечественного Водного кодекса Республики Беларусь.
С практической точки зрения, основные проблемы, связанные с существующими методами оценки, - вариабельность, субъективность и, следовательно, надежность результатов, а также высокие финансовые и временные затраты на мониторинговые работы, сбор и обработку полевого материала. Например, различия в профессиональной компетенции и опыте специалистов, определяющих видовой состав биоты, приводят к противоречивой оценке экологического статуса водного объекта [13]. Аудиторская проверка 414 проб макробеспозвоночных, взятых в рамках
программ мониторинга немецких рек и ручьев, показала, что 29% видов были пропущены при первичной сортировке, а итоги видовой идентификации, сделанные специалистом и аудитором, различались более чем на 30% таксонов [14]. Важно отметить, что это привело к различным результатам оценки экологического статуса поверхностных вод для 16% проб [14]. Аналогичные выводы были сделаны и на основании исследований, проведенных в Норвегии и Финляндии [15].
С научной точки зрения, мониторинг, основанный на ручной сортировке образцов и морфологическом определении видового состава, может быть выполнен более быстрым, эффективным и надежным способом, а именно при помощи ДНК-баркодинга (ДНК-штрихкодирования). Его широкое применение было подтверждено на 13-й Конференции сторон Конвенции о биологическом разнообразии, которая в одном из своих решений предложила сторонам поддержать развитие международной сети «Штрихкод жизни», основанной на использовании технологий ДНК-баркодинга и связанных с ними эталонных библиотек ДНК-баркодов для приоритетных таксономических групп организмов как средство для наращивания глобального потенциала, под-
держивающего общие цели Конвенции и ее Глобальной таксономической инициативы [16]. Обнаружение новых видов на базе биоиндикации происходит постоянно, и Беларусь не исключение [17].
Новые ДНК-технологии могут выступать в качестве прорывных подходов для диагностики окружающей среды и биомониторинга путем предоставления оперативной информации о таксономической структуре сообщества и биологических процессах в строго стандартизированном виде.
Разработка новых диагностических методов была усовершенствована благодаря пополнению эталонных библиотек ДНК-барко-дов (база данных BOLD), созданных международным проектом «Штрихкод жизни» (iBOL), и новой высокопроизводительной технологии секвенирования (HTS). Благодаря этим двум ресурсам многочисленные гидробиологические пробы можно обработать в течение нескольких дней, получая сотни миллионов последовательностей от организмов, ДНК которых находится в пробе.
Одновременно с тем, что образцы, отобранные традиционными методами, могут быть проанализированы целиком, то есть все одновременно после гомогенизации тканей, существуют и другие подходы, которые используют
ДИССЕРТАЦИОННЫЕ исследования
ДНК присутствующую в среде (воде, осадках или биопленках) в результате жизнедеятельности водных организмов. Такая ДНК называется средовой (environmental DNA - eDNA), может быть получена из среды и проанализирована при помощи различных молекулярных методов. Таким образом, eDNA-ме-табаркодинг предоставляет информацию не только об отдельных видах, важных с точки зрения биоиндикации (поденки, ручейники и др.), но и о других микро-, мезо- и макроорганизмах, живущих в конкретной водной среде. Эта технология также может предоставлять данные о наличии инвазивных видов в экосистеме и действовать в качестве системы раннего предупреждения. Кроме того, новые методы, основанные на eDNA, -гораздо менее инвазивны по сравнению с традиционными.
В настоящее время 46 стран, включая Беларусь и НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам как официального представителя, работают над европейский проектом COST «Разработка новых генетических методов для биологической оценки водных экосистем в Европе». Он направлен на продвижение применения ДНК-технологий для биоиндикации и на разработку дорожной карты для их включения в стандартизированную экологическую оценку водных экосистем в Европе и за ее пределами [18]. Кроме того, совместная работа различных институтов из сотрудничающих стран направлена на оценку существующих методов и пополнение справочных библиотек ДНК-бар-кодов, необходимых для анализа полученных данных при помощи eDNA-метабаркодинга.
Авторы статьи ведут работу по наполнению эталонной библиотеки видов макрозообентоса и рыб Беларуси, сейчас она содержит 453 ДНК-последовательности от 57 видов водных организмов,
используемые для оценки экологического статуса рек (рис. 1). Данная библиотека является частью международной справочной базы ДНК-баркодов, создаваемой в рамках деятельности международного консорциума «Штрихкод жизни» (iBOL), в котором НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам -полноправный член с 2018 г.
Следует отметить, что впервые в Беларуси авторами статьи реализуется совместный с Университетом Отаго (Новая Зеландия) проект БРФФИ «Мониторинг чужеродных видов водных беспозвоночных и рыб с применением новых молеку-лярно-генетических методов (мета-баркодинг)», цель которого - обнаружение чужеродных видов рыб и беспозвоночных в реках белорусской части Центрального Европейского инвазионного коридора и на участках других трансграничных рек при помощи метабарко-динга и ДНК, находящейся в водной среде (eDNA) (рис. 2). Участие в европейском COST «DNAqua-Net»
и выполнение проекта БРФФИ станут фундаментальной основой для применения новых ДНК-технологий для биоиндикации в Беларуси.
Таким образом, несмотря на общие трудности в использовании коротких стандартизированных молекулярных маркеров для идентификации, ДНК-баркодинг и метабарокодинг предлагают менее субъективный подход для идентификации организмов в водных экосистемах, чем классическая оценка, основанная на морфологии организмов [19, 20]. Некоторые вопросы еще предстоит решить и разработать стандартные протоколы, прежде чем данный метод станет универсальным и повсеместным. Использование организмен-ной и экологической ДНК (eDNA) в решениях по управлению природопользованием уже испытыва-ется в некоторых европейских странах, а также показано, что недавно разработанный для морских вод генетический индекс качества воды (§АМБ1) работает хорошо [21, 22].
■ Summary. The article discusses modern method of bioindication of surface water used in the world and tested in Belarus, that based on receiving and processing of environmental DNA (eDNA) using me-tabarcoding. The issues on importance of the establishment and replenishment of DNA barcode reference library for indicator species of aquatic organisms that are required for a representative analysis of the obtained data using eDNA-metabarcoding were raised. International projects that are carried out in the National Academy of Sciences of Belarus in this direction are considered.
■ Keywords: bioindication, monitoring of freshwater ecosystems, environmental DNA (eDNA), metabarcoding.
■ https://doi.org/10.29235/1818-9857-2020-3-81-84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Семенченко В. П., Разлуцкий В. И. Экологическое качество поверхностных вод. - Минск, 2010.
2. Kolkwitz R., Marsson M. Grundsaze fur die biologische Beurteilung des Wassers nach seiner Flora und Fauna. Mitt a.d. Kgl. Pruungsanstalt f. Wasservers. und Abwasserbeseitigung zu Berlin. 1902. Vol. 1. P. 33-72.
3. Pantle R., Buck H. Die biologische Überwachung der Gewasser und die Darstellung der Ergebnisse. Gas- und Wasserfach. 1955. Bd. 96, H. 18. S. 640.
4. Zelinka M., Marvan P. Bemerkungen zu neuen Methoden der saprobiologischen Wasserbeurteilung. Verhandlung Int. Vereingung de Limnologie. 1966. Bd 16. S. 817-822.
5. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy [Electronic resource] / Access to European Union law, 2000 // http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ. do?uri=CELEX:32000L0060: en: NOT.
6. Байчоров В. М., Тищиков Г. М., Рощина Н. Н. Экологические риски и оценка состояния водотоков Беларуси. - Минск, 2006.
Полный список использованных источников размещен Статья поступила в редакцию 03.09.2019 г. Ej|Sf^ http://innosfera.by/2020/03/bioindication_water
