Oddělení mikrobiální ekologie vody
V Oddělení mikrobiální ekologie vody se zabýváme výzkumem mikroskopických organismů, které žijí ve sladkých vodách. Předmět našeho zájmu, vodní mikroorganismy, se podle funkce dělí na dvě skupiny, z nichž první (autotrofové) je tvořena mikroskopickými řasami a sinicemi (souhrnně nazývanými fytoplankton) a je zodpovědná za tvorbu nové organické hmoty fotosyntézou. Druhou skupinu tvoří heterotrofové – jsou to bakterie a prvoci, kteří naopak spolupracují na rozkladu odumřelé organické hmoty. Naším zájmem jsou rovněž viry (zejména bakteriofágy), které jsou ještě četnější než mikroorganismy a mají vliv nejen na jejich mortalitu, ale i evoluci.
Využíváme metody od bakteriologických (izolace a kultivace mikroorganismů), přes mikroskopické (světelná, fluorescenční), metody molekulární biologie (PCR, RT-PCR, CARD-FISH), až po specializované bioinformatické analýzy (amplikony, genomy, metagenomy).
Úzce spolupracujeme s oběma odděleními Hydrobiologického ústavu, dále také s Katedrou biologie ekosystémů PřF JU, s Centrem Algatech (MBÚ AV ČR), ze zahraničních s Univerzity of Zurich (Prof. Jacob Pernthaler) nebo Universidad Miguel Hernandez v Alicante (Prof. Francisco Rodriguez-Valera).
Řešené výzkumné projekty
Ekogenomika sladkovodních metylotrofů s evolučně zjednodušeným genomem
Číslo projektu: 19-23469S
Řešitel: Michaela Salcher
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2019 - 2021
Nejpočetnější planktonní mikroorganismy mají redukovaný genom a teorie „streamlining” (evolučního zjednodušení genomu) předpokládá, že ztráta genů je způsobena selekcí řízenou faktory prostředí. Až dosud způsoby zjednodušení nebyly objasněny, protože získání axenických kultur těchto mikrobů je obtížné. Vyvinuli jsme metodu zaměřenou na izolaci početných sladkovodních metylotrofů s malým efektivním genomem: ‘Ca. Methylopumilus planktonicus’ (Betaproteobacteria, 1,3 Mbp velikost genomu), které jsou ideálním modelem pro studium mechanismů mikrodioverzifikace a evolučního zjednodušení genomu. Nejbližší příbuzní kmenů ‘Ca. M. planktonicus’ obývají jezerní sedimenty a pelagiál oceanů. Navrhujeme pracovní hypotézu projektu, že původ této čeledě může být vysledován zpět k bakteriím žijícím v sedimentech se střední velikostí genomu. S využitím sekvenování genomů 150 izolovaných kmenů a hloubkové sekvenace metagenomů provedeme srovnávací populační genomiku s cílem popsat zásadní ekologické příčiny široce rozšířeného, ale stále neobjasněného jevu zjednodušení genomu u vodních bakterií.
S využitím metagenomiky, cílené izolace a sekvenace genomů sladkovodních oligotrofních bakterií ‘Ca. Methylopumilus planktonicus’ (Betaproteobacteria) navrhujeme studium fenoménu genome-streamlining u planktonních mikrobů a charakteristických jevů provázející mikrodiverzifikaci příbuzných taxonů.
Vliv perifytonu na produktivitu a cyklus fosforu v oligotrofních jezerech vzniklých po rekultivaci těžby uhlí
Číslo projektu: 19-05791S
Řešitel: Klára Řeháková
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2019 - 2021
Perifytoní společenstvo je významnou biologickou složkou vodních ekosystémů. V nich má mnoho významných funkcí jako jsou koloběh živin nebo jeho samočistící schopnosti v ekosystému, kde se vyskytuje. Výzkumu perifytonu je věnována menší pozornost než planktonu, přestože v mnoha ekosystémech tvoří perifyton větší biomasu. Jedním z málo studovaných ekosystémů jsou oligotrofní jezera, speciálně antropogenního původu. V České republice máme unikátní sérii tří antropogenních oligotrofních jezer různého vývojového stáří, která vznikla při rekultivacích po těžbě uhlí. Přestože jedno z nich, Medard, je největším jezerem České republiky, chybí údaje o primární produkci jak fytoplanktonu, tak perifytonu i o diversitě a funkci perifytonu v těchto jezerech. Předkládaný projekt bude studovat míru primární produkce během sezóny, ale i podél sukcesní řady jezer, druhové složení a dynamiku vývoje perifytoního společenstva, jeho funkce v koloběhu živin, s větším zaměřením na dynamiku fosforu, který je limitující živinou studovaných jezer.
Cílem projektu je prozkoumat diversitu a dynamiku perifytonu oligotrofních antropogenních jezer. Stanovit a porovnat primární produkci během sezóny v studovaných jezerech a podél sukcesního gradientu jezer. Stanovit potenciální příjem fosforu perifytonem za různých environmentálních podmínek.
Alternativní cesty přenosu energie – zaostřeno na planktonní potravní sítě mělkých jezer
Číslo projektu: 19-16554S
Řešitel: Dagmara Sirová
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2019 - 2021
Planktonní sítě jsou klíčové pro pochopení toků energie a látek mezi organismy povrchových vod. Teoretické poznání potravních sítí se sice překotně rozvíjí, ale mají malé rozlišení a vycházejí hlavně ze studií poměrně jednoduchých systémů stratifikovaných jezer. Mělké polymiktické ekosystémy, např. hypertrofní rybníky, zřejmě umožňují rozvoj komplexnějších společenstev s obrovskou diverzitou. Naše předběžné výsledky z hypertrofních rybníků opravňují k hypotéze, že v nich jsou – na rozdíl od dosud uznávaných konceptů planktonní ekologie – významnými články přenosu energie do vyšších trofických úrovní také metanoxidující bakterie, zoospory vodních hub a pikosinice. Zatímco přenos energie „klasickými potravními sítěmi“ od primárních producentů k vyšším trofickým úrovním je v nich omezen, mikrobiální potravní síť tvoří hlavní složku, byť nejspíš míň efektivní v důsledku přítomnosti více trofických úrovní, tedy i energetických ztrát. Poznání těchto komplexních interakcí s dostatečně detailním rozlišením umožní plánovaná mezioborová kombinace moderních molekulárních metod.
Cílem projektu je rozklíčovat komplexní interakce v málo probádaných planktonních potravních sítích hospodářsky významných vodních ekosystémů na nebývale podrobné úrovni rozlišení s využitím kombinace molekulárních, epifluorescenčních a chemických přístupů.
Objasnění ekologie pikoplanktonních sinic pomocí genomové taxonomie
Číslo projektu: 19-23261S
Řešitel: Jitka Jezberová
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2019 - 2021
Ačkoli pikosinice patří mezi jedny z nejdůležitějších hráčů v Globálním Cyklu Uhlíku (zajišťují primární produkci světových oceánů), pochopení jejich ekologie ve sladkovodních ekosystémech je velká neznámá. Domníváme se, že jednou z hlavních překážek bránících objasnění jejich vlivu a důležitosti ve stojatých vodách je to, že postrádáme prostředky potřebné k definování ekologicky relevantních taxonomických jednotek (např. druh a poddruh). Proto jsme se rozhodli překonat tzv. taxonomický bottle neck založený na mikroskopickém popisu rodů a druhů, s tendencí popisovat druhy na základě 16S rRNA genu, a vytvořit robustní kostru založenou na genomických datech. Chystáme se stavět na naší existující sbírce pikosinic, skýtající více než 120 kmenů, a použít nejmodernější metody sekvenování, abychom získali přibližně 100 genomů vysoké kvality. Široké rozpětí genomických dat vázaných na konkrétní kmeny nám také umožní sledovat jednotlivé populace v přírodě (pomocí CARD-FISH prób nebo qPCR) a rozuzlit jejich roli v potravním řetězci.
Cílem je vyvinout robustní genomický klasifikační systém pro sladkovodní pikosinice. Konfrontace evoluce a složení genomů s populační dynamikou a rolí jednotlivých taxonů v potravním řetězci povede k vytvoření ekologicky smysluplných skupin.
Sjednocení systematiky sinic pomocí harmonizace polyfázické a genomové taxonomie
Číslo projektu: 22-06374S
Řešitel: Jan Mareš
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2022 - 2024
Po roce 2000 byla vytvořena nová kritéria pro rozpoznávání rodů a druhů sinic pomocí tzv. polyfázického přístupu. Pomalý průběh revize je však překážkou pro taxonomickou klasifikaci v metagenomických studiích - proto byly nově zavedeny též některé přístupy genomové taxonomie. Genomová taxonomie nebyla dosud začleněna do existujícího systému, což způsobuje zmatek v rámci obou oborů. V projektu porovnáme tyto dva přístupy pomocí získaných komplementárních dat o modelové skupině Synechococcales, která je již nyní nejlépe prostudována jak pomocí genomové sekvenace tak polyfázického přístupu. To nám umožní přímé srovnání a následnou integraci obou přístupů, posouzení hranic mezi taxony, a navržení taxonomických konceptů pro sinice, které budou přijatelné a použitelné pro všechny badatele. Započneme též revizi vyšších hierarchických taxonomických kategorií a zformulujeme doporučení pro standardní postupy v taxonomických a metagenomických studiích. Úspěšné řešení projektu by mohlo stanovit nový milník pro vytvoření jednotné taxonomie sinic přijatelné pro algology, mikrobiology a metagenomiky.
Cíle projektu:
1) Sestavit sbírku kmenů sinic charakterizovaných pomocí polyfázických dat a sekvencí celého genomu
2) Stanovit taxonomické hranice mezi druhy, rody, čeleděmi a řády pomocí obou přístupů
3) Navrhnout jednotný koncept založený na fylogenomice avšak kompatibilní s existující taxonomií a nomenklaturou
Vliv extrémních projevů počasí na sezónní dynamiku planktonních společenstev a kvalitu vody v nádržích
Číslo projektu: 22-03662S
Řešitel: Petr Znachor
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2022 - 2024
Jedním z projevů klimatické změny je zvýšená četnost a intenzita extrémních projevů počasí jako jsou přívalové srážky či dlouhá období sucha. Tyto extrémy představují z ekologického hlediska disturbance mající dalekosáhlé následky pro fungování nádržového ekosystému a kvalitu vody. Mechanismy působení extrémních projevů počasí na fungování přehradních nádrží se z metodických důvodů (problémy s prediktibilitou, replikovatelností, kauzalitou) studují jen obtížně, a proto nám o nich zatím chybí detailní znalosti. Metodické obtíže jsou však řešitelné s využitím časových řad vzešlých z dlouhodobého monitoringu. V navrhovaném projektu využijeme data z unikátního čtyřicetiletého sledování nádrže Římov, která kromě meteorologických podmínek zahrnují také hydrodynamiku, hydrochemii a složení planktonních společenstev v nádrži. Nádrž Římov bude sloužit jako model pro studium citlivosti nádržového ekosystému vůči extrémním projevům počasí. Budeme sledovat zejména jak extrémní počasí ovlivňuje podmínky v nádrži a následně složení, strukturu a fenologii planktonních společenstev.
Cílem projektu je vyhodnotit jak extrémní projevy počasí mění podmínky v nádrži a následně ovlivňují funkční složení, strukturu a fenologii planktonních společenstev. Analyzovány budou zejména rozdíly mezi suchými a deštivými roky a účinek povodňových událostí na ekosystém nádrže.
Lov na zabijáka orlů - výzkum cyanotoxinu způsobujícího ptačí vakuolární myelinopatii
Číslo projektu: 19-21649J
Řešitel: Jan Mareš
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2019 - 2021
Ptačí vakuolární myelinopatie (PVM) je smrtelné nervové onemocnění ptáků se zvyšující se frekvencí výskytu, které ohrožuje ptačí populace včetně symbolického orla bělohlavého. Veškeré důkazy svědčí o tom, že je PVM způsobena novým toxinem produkovaným epifytickými sinicemi, které vstupují do potravního řetězce s vodními rostlinami, což následně vede ke vzniku mozkových lézí u postižených ptáků. Povedlo se nám vyizolovat toxigenní sinici do kultury, purifikovat látku, která patrně zodpovídá za PVM, a určit její strukturu. V navrhovaném projektu potvrdíme identitu PVM toxinu, objasníme jeho biosyntézu, identifikujeme další společně produkované cytotoxiny, prozkoumáme environmentální a antropogenní faktory řídící produkci PVM toxinu, a navrhneme protokoly pro molekulární detekci jeho producenta. Lokalizace toxinu bude studována na modelu dania pruhovaného. Projekt přispěje k pochopení etiologie PVM, k charakterizaci nového cyanotoxinu, který představuje možné ohrožení sladkovodních ekosystémů či dokonce lidského zdraví, a k vývoji metod pro jeho rutinní monitoring.
Cílem projektu je potvrdit cyanotoxin způsobující ptačí vakuolární myelinopatii, objasnit jeho biosyntézu a identifikovat další společně produkované cytotoxiny. Nalézt faktory řídící produkci toxinu a vytořit protokoly pro molekulární detekci jeho producenta. Studovat lokalizaci toxinu na modelu dania pruhovaného.
Biomanipulace jako nástroj zlepšení kvality vody nádrží
Číslo projektu: CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/0007417
Řešitel: Jan Kubečka, Tomáš Jůza (z MEV Petr Znachor, Vojtěch Kasalický)
Zdroj financování: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Doba řešení: 2018–2022
Voda je nejdůležitější z globálních surovin a velký důraz je tak kladen na udržení její vysoké kvality. V souvislosti s klimatickými změnami jsou vodní zdroje vystaveny nejrůznějším klimatickým extrémům, kterým mohou čelit jen zdravé ekosystémy s vysokým ekologickým potenciálem. Průzkumy ukázaly, že většina přehradních nádrží v České republice se nachází ve stavu mnohem horším než požadovaném, a proto bude muset v brzké době dojít k jeho nápravě. Hodnocení ekologického potenciálu také jasně ukázalo na hlavního viníka tohoto negativního stavu a tím je eutrofizace zapříčiněná zvýšeným přísunem živin, především fosforu a dusíku do nádrží. Recentní vývoj metodik hromadných odlovů ryb a klesající živinové zatížení přehradních nádrží díky opatřením v povodích jsou hlavními předpoklady úspěšné biomanipulace, tj. dosažení vyšší kvality vody za pomoci cílené změny potravního řetězce v nádrži. Cílem projektu je unikátní celoekosystémový experiment se sledováním všech důležitých článků potravního řetězce před, během a po manipulaci. Projekt zhodnotí vliv redukce nežádoucích druhů ryb a podpory ryb dravých na jednotlivé trofické úrovně a v konečném důsledku na zvýšení průhlednosti a vyšší kvalitu vody ve vybraných nádržích. Na třech nádržích bude odlovena většina biomasy planktonožravých druhů ryb a zároveň budou vysazovány ryby dravé. Podrobné sledování celého nádržového ekosystému od ryb přes zooplankton, fytoplankton, makrofyta, bakterie, až po živiny a celkový nádržový metabolismus pomůže odhalit, jaký vliv má takto razantní zásah provedený na několika různě živinami zatížených nádržích. Současně bude zhodnocena rentabilita biomanipulačních odlovů s cílem vyčíslit rozdíl mezi vynaloženými náklady a úsporami danými zlepšením ekologického potenciálu dle Rámcové vodní směrnice EU, popř. snadnější upravitelností surové vody pro vodárenské zpracování nebo zvýšením rekreační využitelnosti. Podle Rámcové směrnice o vodách jsou všechny členské státy Evropské unie nuceny dosáhnout minimálně dobrého ekologického stavu vodních útvarů do roku 2027 a biomanipulace představuje jeden ze způsobů, jak tento ambiciózní cíl naplnit.
Web Biomanipulace
PELAGICS – Eko-genomika mikroorganismů v evropských jezerech
Číslo projektu: 20-12496X
Řešitel: Rohit Ghai
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2020 - 2024
Sladkovodní biotopy mají rozhodující vliv na celý pozemský život, převážná většina jejich mikrobiálních obyvatel (prokaryot a eukaryot) však zůstává stále záhadná, za hranicemi kultivačních možností. Nicméně vývoj kultivačních přístupů spolu s pokroky v sekvenování přináší nové prostředky pro odhalení mikrobiální rozmanitosti. Navrhujeme vytvořit vědecké konsorcium PELAGICS (24 vědců, 16 evropských zemí), které bude koordinovat úsilí ve studiu sladkovodních mikroorganismů (prokaryot i eukaryot) kultivačním a metagenomickým přístupem (analýza genomové DNA celé populace) v rámci celoevropské jezerní kampaně (70 jezer). Hloubkové sekvenování (cca 18 TB) mikrobiální populace povede k zisku tisíců metagenomickysestavených genomů prokaryot, eukaryot a virů. Za pomoci nových růstových médií napodobujících přirozené podmínky a poloautomatizované vysoce výkonné izolační techniky budeme usilovat o získání sbírky kmenů 500 prokaryot a 50 prvoků vč. jejich genomů. Kombinace obou přístupů přispěje k odhalení jejich přirozených interakcí a ekologických rolí ve sladkovodních potravních sítích.
Cílem projektu je vytvoření celoevropské sítě mikrobiálních ekologů pro odběry a studium 70 jezer k získání stabilních sbírek mikroorganismů a jejich genomů (cca 500 prokaryot a 50 prvoků) a k získání řádově tisíců genomů sladkovodních bakterií, prvoků i virů pomocí hloubkového metagenomického sekvenování.
Putování v temnotě: mohou "zárodky" z podzemního habitatu být úspěšné v hypolimniu jezer?
Číslo projektu: 20-23718Y
Řešitel: Tanja Shabarova
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2020 - 2022
Mechanismy, které určují distribuci druhů (koncept metaspolečenstev) jsou stále málo probádaným tématem mikrobiální ekologie vody. Naše znalosti o interagujících procesech tzv. třídění druhů, mass-efektů a neutrálních procesů, formujících bakteriální společenstva povrchových vod, se významně prohloubily. Dosud se však velmi málo ví o mechanismech, které utvářejí společenstva v hlubších zónách jezer, a také o roli podzemních vod v procesech formování společenstva povrchových vod. V naší studii se proto zaměříme na vysvětlení změn ve složení bakteriálních společenstev během přechodu z půdy do půdní vody a následně z povrchových a podpovrchových vod do vod jezer. Užitím sekvenování amplikonů a metagenomických analýz se pokusíme objasnit rozdíly jak ve složení, tak i funkci společenstev povrchových a podpovrchových vod a objasnit vliv okolního prostředí na jejich utváření. Předpokládáme, že společenstva formovaná v afotických podmínkách podzemí se významně liší od společenstev povrchových vod a představují jakési “zárodky”, jež povedou k selekci druhů v afotické zóně jezera.
Cílem projektu je: (i) Testovat koncept formování společenstva dosud známý jen pro povrchové vody i pro vody podzemní, (ii) Kvantifikovat, jak bakteriální společenstva povrchových a podzemních vod přispívají k formování společenstev v různých zónách jezer, (iii) Zobecnit naše poznání průzkumem krasových systému v Evropě.
