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有害藻华（HABs）已成为全球环境与人类健康难题。为寻找可靠预测方法，研究人员分析沿海生态系统中微生物组的元蛋白质组时间序列。结果发现 12 种候选 HAB 生物标志物，这有助于预测藻华，减轻其危害。
在神秘的海洋世界里，有害藻华（HABs）就像突然降临的 “生态灾难”。它们是光合浮游植物的突然聚集，不仅严重威胁水生生态系统，还对人类健康和经济造成巨大冲击。比如，会导致渔业受损、旅游业衰败，还可能引发沿海海洋哺乳动物、海鸟和鱼类的大量死亡。目前，虽然知道多种人为和环境因素能引发藻华，但大多数情况下，其具体成因仍不明确。而且，现有的藻华监测技术往往需要藻华发展到一定程度才能检测到，无法提前预警。为了解决这些问题，来自美国华盛顿大学、佐治亚理工学院等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是高分辨率的现场采样，在 2021 年 5 月 27 日至 6 月 18 日期间，于美国华盛顿州东音海峡，每 4 小时采集一次样本，获取了沿海细菌微生物组的时间序列数据。接着进行元基因组组装和数据库生成，对样本 DNA 提取后测序、组装，构建蛋白质数据库。然后运用蛋白质组学样本处理技术，对微生物组样本进行处理。最后利用质谱分析，包括数据依赖采集（DDA）和数据独立采集（DIA）等方法，对样本进行分析。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 现场采样捕捉到不同营养状况的藻华前期：通过现场显微镜观察和叶绿素荧光追踪，确定了两次聚生角毛藻（Chaetoceros socialis）藻华的起始时间。两次藻华前期的营养状况差异很大，五月的藻华前期硅酸盐和硝酸盐增加，温度有波动；六月的藻华前期营养物质浓度波动较小。基于此，研究人员将两个时间段分别作为发现期和验证期进行研究。
- 发现阶段：通过定量元蛋白质组学鉴定肽生物标志物：在发现期，运用元蛋白质组学流程，对样本进行分析。首先进行 DDA 分析，筛选出部分肽段构建 DDA 精炼数据库，再进行 DIA 分析，得到 4468 个肽段。通过主成分分析（PCA）和分类群相关性分析，筛选出 1858 个肽段作为候选生物标志物。然后运用隐藏马尔可夫模型（HMM）分析，确定了 314 个潜在的生物标志物肽段。
- 生物标志物作为藻华预测指标的验证：在验证期，对 27 个候选生物标志物进行靶向质谱分析。结果发现其中 12 个肽段在藻华开始日期（BSD）前至少 24 小时呈现不可逆的状态转变，且部分肽段在发现期和验证期的丰度变化具有强正相关性。对这些肽段进行注释发现，它们来自不同的细菌类群，具有不同的功能。
研究结论和讨论部分指出，该研究表明在两种不同化学环境的藻华发生前，特定细菌肽会发生明显且可重复的状态转变，这证实了 HABs 与其相关微生物组在代谢活动上存在生态耦合，为开发基于肽的 HAB 预测工具提供了可能。研究还发现，尽管两次藻华的营养状况差异很大，但微生物肽信号具有一致性，这凸显了微生物组在揭示生态系统变化方面的潜力。此外，研究中确定的生物标志物肽段来自常见的细菌类群，这些肽段在不同藻华系统中具有潜在的通用性，有望进一步开发为快速评估工具，用于区分正常和藻华前期的微生物组状态。不过，研究也存在一些局限性，比如尚未揭示导致这些检测结果的机制，还需要在更多海洋生态系统中验证这些发现是否适用于其他浮游生物类型的藻华。但总体而言，这项研究为有害藻华的预测提供了新的方向和思路，对保护海洋生态环境和人类健康具有重要意义。
