Vaikuttaako metallialtistus linnunpoikasten mikrobiyhteisön kehittymiseen?

Monet ympäristökemikaalit vaikuttavat haitallisesti mikrobeihin, jotka ovat eliöiden hyvinvoinnille elintärkeitä. Eniten on tutkittu sitä, minkälaisia vaikutuksia metalleilla on maaperän ja kasvien mikrobistoon. Sen sijaan tiedämme vielä toistaiseksi hyvin vähän siitä, miten metallit vaikuttavat lintujen mikrobistoon. Tähän kysymykseen tutkimuksemme pyrkii löytämään vastauksia.

Julkaistu: 4.11.2021
Kirjoittaja: Miia Rainio

Mikrobit ovat evolutiivisesti hyvin vanhoja, ja niillä on tärkeä rooli niin maa- kuin vesiekosysteemeissäkin. Monet mikrobit ovat elintärkeitä eliöiden hyvinvoinnille, sillä ne osallistuvat useisiin elimistössä tapahtuviin prosesseihin. Esimerkiksi suolistomikrobeilla on tärkeä rooli elimistön aineenvaihdunta- ja energiantuotantoprosesseissa: mikrobit muuttavat ravintoaineita eliöille hyödylliseen muotoon sekä osallistuvat haitallisten aineiden pilkkomiseen ja niiden poistamiseen elimistöstä.

Mikrobeja voidaan hyödyntää monin tavoin myös elintarvike- ja lääketeollisuudessa. Osa mikrobeista on kuitenkin haitallisia. Ne voivat pilata ruoan ja aiheuttaa elimistössä erilaisia infektioita, sairauksia, puolustuskyvyn heikkenemistä sekä monia muitakin fysiologisia muutoksia.

Useat ympäristökemikaalit vaikuttavat haitallisesti mikrobeihin ­‒ näistä tutkimukseemme valikoituivat raskasmetallit. Metallien tiedetään vaikuttavan esimerkiksi mikrobipopulaatioiden monimuotoisuuteen ja runsauteen sekä muuttavan mikrobiyhteisöjen koostumusta. Metallit voivat myös häiritä mikrobien toimintaa estämällä niiden kykyä metaboloida tai poistaa haitallisia yhdisteitä isäntäeliön elimistöstä. Metallien vaikutuksia mikrobistoon on toistaiseksi tutkittu pääosin maaperässä sekä kasveilla. Vaikutuksista on tietoa myös ihmisten ja muiden nisäkkäiden osalta, mutta metallien vaikutuksesta lintujen mikrobistoon tiedetään vielä hyvin vähän.

Uudessa tutkimushankkeessani selvitämme metallien vaikutuksia luonnonvaraisten lintujen poikasaikaiseen mikrobiympäristöön kolmella yleisellä lintulajilla: talitiaisella, sinitiaisella ja kirjosiepolla. Lajit valikoituivat tutkimukseemme, koska ne pesivät pöntöissä ja ovat yleisiä tutkimusalueellamme. Tutkimuslajimme edustavat sekä paikkalintuja että muuttolintuja, minkä ansiosta saamme tietoa mahdollisista lajien välisistä eroista mikrobiyhteisöissä sekä eri lajien mikrobiomin alttiudesta metallialtistukselle.

 

Satoja tutkimuspönttöjä ja eurooppalaista yhteistyötä

Kehittyvät poikaset ovat hyvin alttiita ympäristössä tapahtuville muutoksille, ja monet kemikaalit voivat vaikuttaa haitallisesti lintujen poikasaikaiseen kehitykseen. Selvitämme suolisto- ja pesämikrobien monimuotoisuutta ja mikrobiyhteisöjen muutoksia metallipäästölähteiden ympäristössä sekä puhtailla vertailualueilla, jotta voimme vertailla tuloksia alueiden välillä. Tutkimusalueemme sijaitsee Harjavallan suurteollisuuspuistossa toimivan metallisulaton ympäristössä, jossa lintujen pesintää on tutkittu jo reilun 30 vuoden ajan. Kattava pitkäaikaisaineisto on tuottanut runsaasti tietoa metallien vaikutuksesta lintujen pesintään ja fysiologiaan sekä metallipitoisuuksien muutoksista yli 30 vuoden ajalta.

Tutkimusalueillemme on sijoitettu yhteensä noin 350 tutkimuspönttöä sekä päästölähteen välittömään läheisyyteen että kauempana sijaitseville vertailualueille. Lisäksi keräämme ulostenäytteitä eri päästölähteiden ympäristöistä eri puolilta Eurooppaa laajan yhteistyöverkostomme avustuksella, jotta saamme laajemman kuvan metallialtistuksen mahdollisista haitoista lintujen mikrobistoon. Tutkimme pesä- ja suolistomikrobien vasteita paitsi metallialtistukseen myös pesintäympäristön muutoksiin, mikroilmastoon, ravinnonlaatuun ja taksonomiaan sekä selvitämme näiden yhteyttä lintujen fysiologisiin ja ekologisiin vasteisiin. Fysiologisista vasteista tarkastelemme muun muassa antioksidantti- ja immuunipuolustukseen liittyviä entsyymejä, ekologisista vasteista elinkiertopiirteitä ja pesintämenestystä.

 

Pesämanipulaatiokokeilla voidaan jäljittää altistuksen lähdettä

Kesän 2021 aikana keräsimme poikasilta ulostenäytteitä suolistomikrobianalyyseihin sekä pesämateriaalia pesämikrobianalyyseihin – analyysit ovat parhaillaan käynnissä. Näytteistä määritämme myös metallipitoisuudet, jotta voimme yhdistää mahdollisia mikrobiyhteisöissä tapahtuvia muutoksia metallipitoisuuksiin. Tutkimme mikrobeja molekyylibiologisin keinoin eristämällä ulosteesta ja pesämateriaalista bakteerien DNA:ta, josta monistetaan PCR-menetelmällä riittävä määrä tutkittavaa geenialuetta. Näytteistä kootaan niin kutsuttu sekvensointikirjasto, jossa tutkittaviin näytteisiin liitetään yksilöllinen koodi näytteen tunnistamiseksi. Lopullinen mikrobimääritys tapahtuu sekvensoimalla NGS-tekniikalla tutkittava geenialue, jolloin saadaan selville bakteerien emäsjärjestykseen perustuva koodi. Sen perusteella bakteerit voidaan lopulta tunnistaa avoimia geenitietokantoja hyödyntäen.

Vertailemalla bakteerilajeja päästölähteen ja vertailualueiden sekä tutkimuslajien välillä saamme tietoa mahdollisista metallialtistuksen aiheuttamista muutoksista mikrobiyhteisöissä. Mikrobituloksia voidaan liittää myös pesintä- ja fysiologiseen aineistoon, jotta voidaan selvittää näiden yhteyttä toisiinsa. Pesäpoikaset voivat altistua metalleille joko pesämateriaalin tai emon tuoman ravinnon välityksellä. Mikäli havaitsemme eroja mikrobiyhteisöissä koeryhmien välillä, tulemme seuraavilla maastokausilla tekemään pesämanipulaatiokokeita, joiden avulla selvitämme tarkemmin altistuksen pääasiallista lähdettä.

Tutkimusasetelmamme mahdollistaa myös mikrobien aineenvaihduntatuotteiden muutosten tutkimisen metabolomiikan menetelmin. Metabolomiikan avulla voidaan tutkia pienimolekyylisten aineenvaihduntatuotteiden rakennetta, toimintaa ja yhteisvaikutuksia elimistössä, jolloin saamme tietoa mahdollisten mikrobiyhteisömuutosten toiminnallisista vaikutuksista isäntäeliön elimistössä. Tutkimustuloksemme tuovat uutta tietoa metallien vaikutuksista poikasaikaisen mikrobiyhteisön kehittymiseen. Lisäksi ne tarjoavat uuden näkökulman siihen, miksi kaupunki- ja päästölähteiden ympäristöissä elävien lajien poikastuotto ja kasvunopeus ovat yleisesti laskeneet, vaikka metallien suoria toksisia vaikutuksia ei aina ole havaittu.

 

Kuva kirjoittajasta, joka istuu maassa ja kerää näytteitä.


​​​​​​​FT, dosentti Miia Rainio on Turun yliopiston biologian laitoksella työskentelevä postdoc-tutkija, joka on väitellyt vuonna 2013 metallien vaikutuksesta lintujen oksidatiiviseen stressiin ja antioksidanttipuolustukseen. Viime vuodet hän on tutkinut kasvinsuojeluaine glyfosaatin vaikutuksia kasvien, hyönteisten ja lintujen elinkiertopiirteisiin, fysiologiaan ja mikrobiomiin.

 

 

 

Kirjallisuutta:

Claus, SP, Guillou, H, Ellero-Simatos, S, 2016. The gut microbiota: a major player in the toxicity of environmental pollutants? NPJ Biofilms Microbiomes 2: 16003.
Duan, H, Yu, L, Tian, F, Zhai, Q, Fan, L, Chen, W, 2020. Gut microbiota: A target for heavy metal toxicity and a probiotic protective strategy. Sci. Total Environ. 742: 140429.
Giambò, F, Italia, S, Teodoro, M, Briguglio, G, Furnari, N, Catanoso, R, Costa, C, Fenga, C, 2021. Influence of toxic metal exposure on the gut microbiota (Review). World Acad. Sci. J. 3: 19.
Kohl, KD, 2012. Diversity and function of the avian gut microbiota. J Comp Physiol B 182: 591-602.
Richardson, JB, Dancy, BCR, Horton, CL, Lee, YS, Madejczyk, MS, Xu, ZZ, Ackermann, G, Humphrey, G, Palacios, G, Knight, R, Lewis, JA, 2018. Exposure to toxic metals triggers unique responses from the rat gut microbiota. Sci. Rep. 8 (1): 6578.

 

 

Lue lisää