Microbial communities of irrigated water and transcriptome of lettuce in a hydroponic system contaminated by cyanobacterial blooms

Abstract

인간 활동에 따른 부영양화와 기후변화로 인한 강, 호수를 포함한 담수환경에서 남세균의 과도한 증식(녹조)은 전세계적으로 심각한 환경 문제이다. 녹조 발생은 수질을 저하시키고, 담수환경에서 간독성 물질인 마이크로시스틴을 생성한다. 이 전 연구에서 유해 남세균이 생성하는 시아노톡신은 농업용수를 통해 농작물에 축 적될 수 있다고 보고되었다. 마이크로시스틴이 축적된 농작물을 섭취하면 인간의 건강에 간 손상과 같은 악영향을 미칠 수 있다. 또한 유해 남세균으로 오염된 관 개수는 농작물의 성장과 발달을 저해할 수 있다. 하지만, 유해 남세균으로 오염된 관개수가 식물 성장 미치는 정확한 메커니즘에 대한 연구와 농작물 주변의 미생 물 군집에 미치는 영향에 대한 연구는 부족하다. 또한 농작물에 축적된 마이크로 시스틴 분해에 관한 연구도 필요한 실정이다. 본 연구에서는 유해 남세균이 포함된 낙동강 물을 이용하여 수경재배 시스템에서 상추를 재배하였다. 주요 연구 목적은 1) 유해 남세균으로 오염된 관개수를 사용 했을 때, 상추의 마이크로시스틴 축적과 이에 따른 안전성 평가, 2) 세균과 진균을 포함한 수경재배 시스템의 미생물 군집의 변화 분석, 3) 재배한 상추의 유전자 발 현 수준 비교, 4) UV irradiation, UV irradiation with titanium dioxide (TiO2), 및 Sphingosinicella microcystinivorans (S. microcystinivorans) 처리를 통해 농작 물에 축적된 마이크로시스틴을 분해하는 것이다. 상추의 성장은 가식부위(잎)에서 약 23.97 ± 0.29 cm의 차이를 보였고, 오염된 관개수를 사용한 상추에서 마이크 로시스틴-LR이 5.56 μg/kg (dry wt.), 마이크로시스틴-RR이 3.99 μg/kg (dry wt.) 축적됨을 확인했다. 한국 성인을 대상으로 세계보건기구(WHO)가 설정한 일 일 섭취 허용량을 계산한 결과, 실험 상추의 일일 추정 섭취량과 비교했을 때, 일 일 추정 섭취량이 일일 섭취 허용량을 초과하는 것으로 나타났다. 또한, 오염된 관개수의 미생물 군집 구성이 변화하였고, 오염된 관개수의 미생물 다양성은 감소 하였다. 상추의 유전자 발현 수준을 확인함으로써 유해 남세균이 상추의 성장 관 련 유전자와 연관되어 있는 것으로 추정된다. 마지막으로, 상추에 UV irradiation, UV irradiation with TiO2 및 S. microcystinivorans 처리한 결과, UV irradiation 그룹에서 마이크로시스틴-LR이 0.70 μg/kg (dry wt.), S. microcystinivorans 에서 마이크로시스틴-LR이 1.99 μg/kg (dry wt.), 마이크로시스틴-RR이 0.79 μg/kg (dry wt.) 검출되었다. 본 연구를 통해 유해 남세균으로 오염된 관개수가 농작물의 성장 뿐만 아니라 관 개수의 미생물 군집에 영향을 미칠 수 있음을 확인했다. 따라서, 유해 남세균이 농작물 및 관개수에 영향을 주는 메커니즘에 대한 연구가 지속되어야 한다. 또한, 본 연구의 결과는 유해 남세균으로 인한 농작물 및 관개수의 변화를 확인할 수 있는 자료를 제공하며, 본 연구에 사용된 분해 방법이 작물에 축적된 마이크로시 스틴의 분해에 도움이 될 것으로 기대된다.|The proliferation of cyanobacterial blooms resulting from eutrophication and climate change caused by anthropogenic activities is a critically environmental problem worldwide. Cyanobacterial blooms degrade water quality and produce hepatotoxic compounds, including microcystin in freshwater. Previous studies have reported that microcystins can accumulate into crops through agricultural water contaminated with cyanobacterial bloom. The consumption of crops accumulated with microcystin can lead to adverse health effects in humans, such as liver damage. Additionally, irrigation water contaminated with cyanobacterial bloom can inhibit the growth and development of crops. However, research on the mechanisms by which contaminated irrigation water affects plant growth and its impact on the surrounding microbial communities in crops is still limited. In addition, there is a need for research on the remediation of accumulated microcystin in crops. In this study, lettuce was grown in a hydroponic system using Nakdong River containing cyanobacterial blooms. The major objectives of this study were (1) examining the accumulation of microcystins in lettuce, (2) investigating the microbial community (bacteria and fungi) in irrigation water, (3) comparing levels of the gene expression in lettuce, and (4) analyzing the remediation of microcystins through ultraviolet (UV) irradiation, UV irradiation with titanium dioxide (TiO2), and microbial (S. microcystinivorans) treatments. The growth of lettuce showed a difference of about 23.97 ± 0.29 cm in the edible part (leaf). Microcystins were detected in the lettuce samples: 5.56 μg/kg (dry wt.) (microcystin-LR) and 3.99 μg/kg (dry wt.) (microcystin-RR). The estimated daily intake of the lettuce samples was calculated based on the tolerable daily intake established by the World Health Organization. The estimated daily intake exceeded the allowed limits. Moreover, microbial community composition and diversity in contaminated irrigation water also changed. Especially, the microbial diversity of irrigation water contaminated with cyanobacterial blooms decreased. Resutls of transcriptomic analysis confirm that microcysins had negative impacts on gene regulations related with growth and development of lettuce. Finally, when accumulated microcystin in lettuce was treated with UV irradiation, UV irradiation with TiO2, and S. microcystinivorans, microcystin-LR of 0.70 μg/kg (dry wt.) was detected in the UV irradiation group, microcystin-LR of 1.99 μg/kg (dry wt.), and microcystin-RR of 0.79 μg/kg (dry wt.) in S. microcystinivorans treated group were detected. This suggests that the three methods effectively remediated microcystins in lettuce. This study confirmed that irrigation water contaminated with toxic cyanobacteria affects not only crop growth but also the microbial community of irrigation water. Futhermore, ongoing research into the mechanisms by which harmful cyanobacteria affect crops and irrigation water is necessary. The results of this study provide data to confirm changes in crops and irrigation water caused by toxic cyanobacteria, and these three treatment methods are expected to be beneficial for the remediation of microcystins accumulated in crops.