Heterotrophic Bacteria Associated with Cyanobacteria in Recreational and Drinking Water

Cyanobacterial mass occurrences, also known as water blooms, have been associated with adverse health effects of both humans and animals. They can also be a burden to drinking water treatment facilities. Risk assessments of the blooms have generally focused on the cyanobacteria themselves and their toxins. However, heterotrophic bacteria thriving among cyanobacteria may also be responsible for many of the adverse health effects, but their role as the etiological agents of these health problems is poorly known. In addition, studies on the water purification efficiency of operating water treatment plants during cyanobacterial mass occurrences in their water sources are rare. In the present study, over 600 heterotrophic bacterial strains were isolated from natural freshwater, brackish water or from treated drinking water. The sampling sites were selected as having frequent cyanobacterial occurrences in the water bodies or in the water sources of the drinking water treatment plants. In addition, samples were taken from sites where cyanobacterial water blooms were surmised to have caused human health problems. The isolated strains represented bacteria from 57 different genera of the Gamma-, Alpha- or Betaproteobacteria, Actinobacteria, Flavobacteria, Sphingobacteria, Bacilli and Deinococci classes, based on their partial 16S rRNA sequences. Several isolates had no close relatives among previously isolated bacteria or cloned 16S rRNA genes of uncultivated bacteria. The results show that water blooms are associated with a diverse community of cultivable heterotrophic bacteria. Chosen subsets of the isolated strains were analysed for features such as their virulence gene content and possible effect on cyanobacterial growth. Of the putatively pathogenic haemolytic strains isolated in the study, the majority represented the genus Aeromonas. Therefore, the Aeromonas spp. strains isolated from water samples associated with adverse health effects were screened for the virulence gene types encoding for enterotoxins (ast, alt and act/aerA/hlyA), flagellin subunits (flaA/flaB), lipase (lip/pla/lipH3/alp-1) and elastase (ahyB) by PCR. The majority (90%) of the Aeromonas strains included one or more of the six screened Aeromonas virulence gene types. The most common gene type was act, which was present in 77% of the strains. The fla, ahyB and lip genes were present in 30 37% of the strains. The prevalence of the virulence genes implies that the Aeromonas may be a factor in some of the cyanobacterial associated health problems. Of the 183 isolated bacterial strains that were studied for possible effects on cyanobacterial growth, the majority (60%) either enhanced or inhibited growth of cyanobacteria. In most cases, they enhanced the growth, which implies mutualistic interactions. The results indicate that the heterotrophic bacteria have a role in the rise and fall of the cyanobacterial water blooms. The genetic and phenotypic characteristics and the ability to degrade cyanobacterial hepatotoxins of 13 previously isolated Betaproteobacteria strains, were also studied. The strains originated from Finnish lakes with frequent cyanobacterial occurrence. Tested strains degraded microcystins -LR and -YR and nodularin. The strains could not be assigned to any described bacterial genus or species based on their genetic or phenotypic features. On the basis of their characteristics a new genus and species Paucibacter toxinivorans was proposed for them. The water purification efficiency of the drinking water treatment processes during cyanobacterial water bloom in water source was assessed at an operating surface water treatment plant. Large phytoplankton, cyanobacterial hepatotoxins, endotoxins and cultivable heterotrophic bacteria were efficiently reduced to low concentrations, often below the detection limits. In contrast, small planktonic cells, including also possible bacterial cells, regularly passed though the water treatment. The passing cells may contribute to biofilm formation within the water distribution system, and therefore lower the obtained drinking water quality. The bacterial strains of this study offer a rich source of isolated strains for examining interactions between cyanobacteria and the heterotrophic bacteria associated with them. The degraders of cyanobacterial hepatotoxins could perhaps be utilized to assist the removal of the hepatotoxins during water treatment, whereas inhibitors of cyanobacterial growth might be useful in controlling cyanobacterial water blooms. The putative pathogenicity of the strains suggests that the health risk assessment of the cyanobacterial blooms should also cover the heterotrophic bacteria.

Syanobakteerien massaesiintymät, sinileväkukinnat, on yhdistetty monenlaisiin haitallisiin terveysvaikutuksiin, kuten pahoinvointiin, kuumeeseen, päänsärkyyn ja ihosekä vatsaoireisiin. Kukinnat voivat myös aiheuttaa ylimääräistä kuormitusta juomaveden puhdistuslaitoksille ja heikentää tuotetun juomaveden laatua. Syanobakteerikukintojen aiheuttamien terveysriskien arviointi on yleensä keskittynyt itse syanobakteereihin ja niiden tuottamiin toksiineihin vaikka oireiden mahdollisina aiheuttajina voivat toimia myös kukintojen yhteydessä elävät heterotrofiset bakteerit. Niiden osuus kukintojen aiheuttamien oireiden synnyssä on kuitenkin pitkälti tuntematon. Myös tutkimukset juomaveden puhdistuslaitosten vedenpuhdistuksen tehokkuudesta raakavedessä esiintyvien kukintojen aikana ovat harvinaisia. Tässä työssä eristettiin yli 600 heterotrofista bakteerikantaa makea- ja murtovetisistä luonnonvesistöistä sekä puhdistetusta juomavedestä. Vesinäytteiden keräyskohteet oli valittu vesistöissä tai juomaveden raakavedessä usein toistuvien syanobakteeriesiintymien perusteella. Näytteitä otettiin myös vesiympäristöistä, joissa syanobakteerikukintojen epäiltiin aiheuttaneen terveysoireita ihmisille. Eristetyt bakteerikannat edustivat 16S rRNA -geenisekvenssiensä perusteella 57 eri bakteerisukua jotka kuuluivat Gamma-, Alpha- ja Betaproteobacteria, Actinobacteria, Flavobacteria, Sphingobacteria, Bacilli ja Deinococci -luokkiin. Useilla kannoilla ei ollut läheisiä sukulaisia aiemmin eristettyjen bakteerien tai viljelystä riippumattomilla menetelmillä kerättyjen 16S rRNA -geenisekvenssien joukossa. Tulosten perusteella syanobakteerikukintojen yhteydessä esiintyy monipuolinen viljeltävissä olevien heterotrofisten bakteerien yhteisö. Eristetyistä heterotrofisista bakteerikannoista analysoitiin ominaisuuksia kuten virulenssigeenien esiintymistä ja mahdollisia vaikutuksia syanobakteerien kasvuun. Tutkituista hemolyyttisistä ja siten mahdollisesti virulenteista kannoista valtaosa edusti Aeromonas-sukua. Tulosten perusteella terveysoireisiin liittyneistä vesinäytteistä eristetyistä Aeromonas-kannoista etsittiin kuutta Aeromonas virulenssigeenityyppiä PCR menetelmällä. Nämä geenityypit koodaavat enterotoksiineja (ast, alt ja act/aerA/hlyA geenit), flagelliini-alayksikköjä (flaA/falB), lipaasia (lip/pla/lipH3/alp-1) ja elastaasia (ahyB). Valtaosa (90 %) tutkituista Aeromonas-kannoista sisälsi yhden tai useamman geenityypeistä. Niistä yleisin oli act, joka havaittiin 77 % kannoista. Myös fla, ahyB ja lip -geenejä havaittiin 30 37%:ssa kannoista. Virulenssigeenien yleisyys viittaa siihen, että Aeromonas-bakteerit saattavat olla yksi syanobakteerikukintoihin yhdistettyjen oireiden aiheuttajista. Niistä yli 180 eristetystä bakteerikannasta, joiden kykyä vaikuttaa syanobakteerien kasvuun tutkittiin, valtaosa (60 %) joko kiihdytti tai esti syanobakteerien kasvua. Useimmissa tapauksissa vaikutus oli kasvua kiihdyttävä, mikä viittaa mutualistiseen vuorovaikutukseen. Tulosten perusteella heterotrofiset bakteerit saattavat vaikuttaa syanobakteerien massaesiintymien muodostumiseen ja kestoon. Työssä tutkittiin myös kolmentoista aiemmin eristetyn Betaproteobacteria-kannan geneettisiä ja fenotyyppisiä ominaisuuksia, kuten 16S rRNA geenisekvenssiä ja entsyymiaktiivisuuksia, ja kykyä hajottaa syanobakteerien tuottamia maksatoksiineita, mikrokystiineitä ja nodulariinia. Kannat eivät geneettisten ja fenotyyppisten piirteidensä perusteella kuuluneet aiemmin kuvattuihin bakteerisukuihin tai -lajeihin. Kaikki tutkitut kannat hajottivat maksatoksiineita. Kantojen geneettisten- ja fenotyyppisiin ominaisuuksiin perustuen kuvattiin uusi bakteerisuku ja -laji, Paucibacter toxinivorans. Lisäksi työssä arvioitiin toiminnassa olevan juomavedenveden puhdistuslaitoksen vedenpuhdistustehokkuutta syanobakteerikukinnan aikana. Suurten kasviplanktonsolujen, syanobakteerien maksatoksiinien, endotoksiinien ja viljeltävien heterotrofisten bakteerien määrät vähenivät vedenkäsittelyn aikana tehokkaasti. Sen sijaan pienet planktonsolut läpäisivät vedenkäsittelyketjun säännöllisesti. Puhdistusketjun läpäisevät solut voivat edistää biofilmien muodostumista vedenjakeluverkostossa ja siten heikentää käsitellyn veden laatua. Työssä käsitellyt heterotrofiset bakteerikannat tarjoavat monipuolisen kokoelman bakteerikantoja syanobakteerien ja niiden yhteydessä esiintyvien heterotrofisten bakteerien välisten vuorovaikutusten tutkimiseksi. Syanobakteerien tuottamia maksatoksiineita hajottavia kantoja voitaisiin mahdollisesti hyödyntää maksatoksiinien poistamisessa vedenpuhdistuksessa ja syanobakteerien kasvua estäviä kantoja kukintojen kontrolloinnissa. Kantojen mahdollinen patogeenisyys viittaa siihen, että myös kukintojen yhteydessä esiintyvät heterotrofiset bakteerit pitäisi ottaa huomioon syanobakteerikukintoihin liittyvien terveysriskien arvioinnissa.