Используя удостоенный наград PhyloChip, устройство размером с кредитную карту, которое может обнаруживать присутствие более 60000 видов бактерий и архей, новый метод оказался более чувствительным, чем обычные методы при оценке рисков для здоровья. В ходе испытаний на водоразделе Русской реки в Северной Калифорнии исследователи лаборатории Беркли обнаружили случаи, когда их метод выявлял потенциальные риски для здоровья человека, которые не удалось обнаружить с помощью обычных тестов на фекальные индикаторы.
И наоборот, они также обнаружили случаи, когда обычные тесты выявляли бактерии, которые не представляли опасности для здоровья человека.
Исследование, проведенное Эриком Дубински и Гэри Андерсен, микробиологами из лаборатории Беркли, недавно было опубликовано в журнале Water Research в статье под названием «Отслеживание микробных источников в нарушенных водосборных бассейнах с использованием PhyloChip и классификации машинного обучения.Стивен Буткус из Регионального совета по контролю качества воды Северного побережья, который поддержал часть исследования, также был соавтором.
«С помощью PhyloChip в ходе ночного теста мы можем получить полную картину микроорганизмов в любом конкретном образце», — сказал Дубинский. "Вместо того, чтобы нацеливаться на один организм, мы, по сути, получаем отпечаток микробного сообщества потенциальных источников в этом образце.
Таким образом, это дает нам более полную картину того, что происходит. Это новый способ отслеживания источников."
В настоящее время местные водные агентства собирают пробы воды, культивируют бактерии в течение ночи, а затем проверяют уровень роста двух типов бактерий, E. coli и Enterococcus, которые считаются индикаторами фекального загрязнения.
Сила Филочипа
Однако этот метод не различает источники¬. Бактерии могли попасть в организм человека, коров, уток, сточных вод или даже гниющей растительности.
«Эти тесты использовались десятилетиями и являются относительно примитивными», — сказал Дубинский. «Еще в 1970-х годах, когда был разработан Закон о чистой воде и сточные воды в основном стекали в наши воды, эти тесты прошли очень хорошо.
Эпидемиологические исследования показали связь этих бактерий с уровнем заболеваемости людей, употреблявших воду. Эти бактерии не обязательно вызывают 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 очищалось, возникающая проблема превратилась в так называемые неточечные источники или диффузные источники по всему водосбору, такие как сельскохозяйственные угодья.
«Сейчас картина намного сложнее, чем тогда, когда в концерне действительно были точечные источники», — добавил Дубинский.
PhyloChip, который был разработан Андерсеном и несколькими другими учеными из лаборатории Беркли, использовался для ряда медицинских, сельскохозяйственных и экологических целей, включая понимание загрязнения воздуха, экологии коралловых рифов и условий окружающей среды в Мексиканском заливе после разлив нефти BP. С помощью 1 миллиона зондов он идентифицирует микробы на основе вариаций конкретного гена без необходимости культивирования.
«Около семи лет назад мы начали работать над качеством воды и поняли, что PhyloChip может предоставить принципиально новый и улучшенный метод отслеживания источников», — сказал Андерсен.
Библиотека какашек
Определение источника того или иного патогена — непростая задача.
В большинстве случаев один микроб не является окончательным маркером животного или другого источника. «Сообщество микробов сложное, — сказал Дубинский. "У коровы может быть 1000 различных организмов."
Итак, у Андерсена и Дубинского появилась идея. «У нас был Лалех Кот, в то время стажер, а теперь сотрудник лаборатории, который бегает и собирает фекалии у всех видов животных», — сказал Андерсен. «С тех пор мы создали справочную библиотеку микробных сообществ, встречающихся в разных типах фекалий — у нас есть коровы, лошади, еноты, люди, разные виды птиц, свиньи, морские львы и другие животные, а также канализация и отстойники. Мы использовали эту библиотеку для разработки модели."
Новый метод берет неизвестный образец и сравнивает его с эталонной микробной библиотекой. «Мы использовали PhyloChip так, как раньше, с помощью моделей 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 микробных источников в калифорнийском исследовании. «Мы были единственным методом, который мог обнаружить все источники и исправить их», — сказал Дубинский.
Если источником является животное, которого нет в справочной библиотеке, его 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.
Нам все еще удалось определить, что это была птица."
В ходе обширных испытаний по всему водосбору Русской реки, которые не соответствуют Закону о чистой воде, исследователи лаборатории Беркли обнаружили широкое заражение от человеческих источников вблизи районов, где общины полагаются на стареющие септики.
Они также обнаружили значительное заражение человека сразу после джазового фестиваля выходного дня, в то время как тестирование традиционными методами дало гораздо более слабый сигнал после задержки в пару дней. «Наш метод более чувствителен к человеческому загрязнению, чем тесты на фекальные индикаторы», — сказал Дубинский.
Следующие шаги
В настоящее время команда работает над характеристикой микробного сообщества встречающихся в природе E. coli и Enterococci, используя Гавайи с его теплыми водами в качестве испытательного полигона. «Они могут встречаться в естественных условиях в отложениях, разлагающихся водорослях и растительности», — сказал Дубинский. "Известно, что это так, но никто не разработал тест, который бы однозначно показал, что."
Исследователи также смогут изучить, влияет ли климат на микробные сообщества. "По составу фекальных бактерий гавайская корова похожа на калифорнийскую корову??
Это хороший вопрос, и мы сможем его выяснить », — сказал он.
Они тесно сотрудничают с U.S.
Агентство по охране окружающей среды (EPA), которое рассматривает новые технологии для того, что оно называет "соблюдением требований следующего поколения"."В конечном итоге цель состоит в том, чтобы разработать их метод — возможно, с уменьшенной версией PhyloChip — до такой степени, чтобы его можно было универсально использовать в любом месте и неспециалистами.
Дубинский говорит, что этот метод также должен быть полезен при растущей проблеме цветения водорослей, чтобы понять, например, процессы, посредством которых они формируются, микробную динамику до и после цветения и, в частности, является ли сток от животноводства на Среднем Западе связан с цветением водорослей в Великих озерах, вопрос, который они исследуют с EPA.