Microbial threats (Legionella and Aeromonas spp.) in the waters of selected lakes as a result of eutrophication of the Great Masurian Lakes System

Mikroorganizmy odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu ekosystemów wodnych oraz charakteryzują się ogromną różnorodnością taksonomiczną. Wody powierzchniowe stanowią sprzyjające środowisko do rozwoju i transmisji patogennych bakterii. Zagrożenia mikrobiologiczne wód są ściśle związane z postępującą eutrofizacją, wynikającą z działalności człowieka. Wciąż wiele istotnych kwestii w zakresie ekologii mikroorganizmów oraz ich bioróżnorodności pozostaje nierozwiązanych. Jednocześnie, ograniczone zasoby wodne wymagają zarówno stałego monitoringu mikrobiologicznego, jak i ochrony, do której niezbędna jest szczegółowa i aktualna wiedza na temat ekofizjologii mikroorganizmów w kontekście stale zmieniających się parametrów środowiska, na które wpływają zarówno eutrofizacja, jak i zmiany klimatu. Wyniki badań przedstawione w rozprawie poszerzają stan wiedzy na temat funkcjonowania jezior podlegających stałej antropopresji oraz związku między szeroko rozumianą jakością wód jeziorowych a obecnością i częstotliwością występowania w nich potencjalnie patogennych bakterii z rodzaju Aeromonas i Legionella. W przedstawionej pracy doktorskiej zweryfikowano następujące główne hipotezy badawcze: ● Taksonomiczna i metaboliczna różnorodność zespołów bakterii zależą od statusu troficznego wód jeziornych. ● Istnieje związek pomiędzy występowaniem Legionella spp. i Aeromonas spp. a statusem troficznym wód jezior systemu Wielkich Jezior Mazurskich. ● Istnieje związek pomiędzy liczebnością bakterii z rodzaju Legionella i Aeromonas, a charakterystyką taksonomiczną zespołu bakterii towarzyszących tym mikroorganizmom. ● Krótkotrwałe okresy wysokich temperatur, będące wynikiem zmian klimatycznych, mogą przyczyniać się do zmian w strukturze taksonomicznej i charakterystyce fizjologicznej zespołów bakterii jeziorowych. Przeprowadzone badania wykazały, iż antropopresja powodująca postępującą eutrofizację wód systemu Wielkich Jezior Mazurskich prowadzi do istotnych zmian składu taksonomicznego bakterii jeziorowych. Zbiorowiska bakterii w zbiornikach eutroficznych w sposób istotny statystycznie różnią się od zbiorowisk bakterii w jeziorach mezo-eutroficznych. Zbiorniki eutroficzne są bardziej zróżnicowane pod względem struktury taksonomicznej i charakteryzują się większym bogactwem gatunkowym. Nie ma podobnej ścisłej zależności między statusem troficznym a różnorodnością fizjologiczną zespołów bakterii w wodach jeziornych. Obserwuje się natomiast słabą zależność między strukturą taksonomiczną i funkcją, wskazującą na pewną plastyczność fizjologiczną zespołów bakterii wodnych. Ważnym wynikiem niniejszej rozprawy doktorskiej jest stwierdzenie istnienia pozytywnej zależności pomiędzy antropogeniczną eutrofizacją, a występowaniem bakterii z rodzaju Legionella i Aeromonas spp. Ponadto wykazano, iż istnieją grupy bakterii współtowarzyszących, które zarówno promują, jak i ograniczają występowanie Legionella spp. W ramach prowadzonych badań zaobserwowano również potencjalny wpływ ocieplenia klimatu na zespoły mikroorganizmów jeziorowych. Krótkotrwałe wzrosty temperatury wody jeziornej będące skutkiem letnich upałów mogą być przyczyną znaczącego zmniejszenia bioróżnorodności taksonomicznej bakterii. Podsumowując, wyniki przedstawione w rozprawie doktorskiej wykazały, że nadmierna eutrofizacja oraz ocieplenie wód na skutek zmian klimatycznych wpływają na obecność oraz proliferację patogennych drobnoustrojów Legionella i Aeromonas spp., oraz zmieniają różnorodność taksonomiczną i metaboliczną zespołów bakteryjnych w ekosystemach jeziorowych strefy umiarkowanej. Wpływają również na interakcje między poszczególnymi zespołami mikroorganizmów.

Microorganisms play a fundamental role in the functioning of aquatic ecosystems and have an enormous taxonomic diversity. Surface waters also provide an excellent environment for the growth and transfer of pathogenic bacteria. Microbial threats to water are closely linked to increasing eutrophication as a result of human activities. Many important questions about microbial ecology and biodiversity remain unresolved. At the same time, limited water resources require both continuous microbiological monitoring and protection, for which a detailed and up-to-date knowledge of microbial ecophysiology in the context of constantly changing environmental parameters influenced by both eutrophication and climate change is essential. The results presented in the dissertation extend the knowledge about the functioning of lakes under constant anthropopression and the relationship between lake water quality and the presence and abundance of potentially pathogenic bacteria belonging to genus Aeromonas and Legionella. The following main research hypotheses were tested in this dissertation: ● The taxonomic and physiological diversity of bacterial assemblages depends on the trophic status of lake waters. ● There is a relationship between the abundance of Legionella spp. and Aeromonas spp. and the trophic status of lakes in the Great Masurian Lakes system. ● There is a relationship between the abundance of Legionella spp. and Aeromonas spp. and the taxonomic characteristics of the bacterial community associated with these microorganisms. ● Short-term periods of high temperatures resulting from climate change can contribute to changes in the taxonomic structure and physiological characteristics of lake bacterial communities. The studies indicated that an anthropopressure causing progressive eutrophication of the waters of the Great Masurian Lakes system led to significant changes in the taxonomic composition of lake bacteria. Bacterial communities in highly eutrophic reservoirs differed statistically significantly from those in meso-eutrophic lakes. Eutrophic reservoirs were more diverse in terms of taxonomic structure and were characterized by the greater richness. There was not observed similar relationship between trophic status of lake water and physiological diversity of bacterial communities. However, a weak relationship between taxonomic structure and functions was observed in some lakes, indicating a certain plasticity of aquatic bacteria communities. An important result of this dissertation was demonstration of existence of a relationship between anthropogenic eutrophication and occurrence of Legionella and Aeromonas spp. In addition, it was shown that there were groups of co-existing bacteria that promoted, as well as, limited the occurrence of Legionella spp. The potential impact of climate warming on lake water on microbial communities was also observed in the study. Short-term increases in lake water temperature resulted from summer heat waves may contribute to a significant decline in bacterial taxonomic biodiversity. In summary, the results presented in the dissertation showed that excessive eutrophication and warming waters due to climate change influence the presence and proliferation of pathogenic microorganisms Legionella and Aeromonas spp. and alter the taxonomic and metabolic diversity of bacterial communities in temperate zone lake ecosystems. They also affect interactions between individual microbial communities.