ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Выяснение свойств почв, способствующих формированию и сохранению биоразнообразия, получение культур микроорганизмов, обладающих биотехнологическим потенциалом (способность азотфиксации, гидролитической деятельности природных полимеров и ксенобиотиков, синтез вторичных метаболитов, веществ- антагонистов)
Modern biotechnology considers the soil as the main natural Bank in the search for microbial cultures with any necessary properties. The existence of an even greater variety of organisms is inextricably linked to the soil, as it is a necessary environment for the stages of the life cycle. The phenomenon of uncultivated microorganisms suggests that the true diversity of soil biota significantly exceeds current estimates. Finding out the properties of soils that contribute to the formation and preservation of biodiversity, obtaining cultures of microorganisms with biotechnological potential (the ability of nitrogen fixation, hydrolytic activity of natural polymers and xenobiotics, synthesis of secondary metabolites, substances - antagonists) is the most important scientific problem of modern biology and soil science. Soils and soil-associated substrates are an inexhaustible source of strains with useful properties for biotechnology, a source for detecting and describing many unknown life forms. For the conservation of biodiversity, the protective function of the soil is of great importance – the preservation in a viable state of various organisms that are going through stages. Microorganisms isolated from extreme habitats are of considerable interest, since they are, according to some authors, characterized by higher biological activity compared to strains isolated from soils of temperate latitudes. An important problem facing soil microbiologists is the study and preservation of the uncultivated part of the microbial community (the"silent majority of the soil community") of extreme and anthropogenic undisturbed (the territory of nature reserves and nature reserves) soil habitats. The problem is of both practical (identification of BAS producers) and theoretical interest (study of new previously unexplored prokaryotic taxa). The scientific novelty of the research is due to the unique collection of samples of extreme ecosystems selected in different parts of the World and isolated bacteria from them. Previously conducted studies were performed on a limited set of cultures, screening of a large collection provided for in this work is performed for the first time. The novelty of the developed approach consists in the possibility of enhancing the biotechnological properties of microorganisms by introducing highly active breeding strains and creating conditions for their activity in natural systems and agrocenoses. Currently, the Department of soil biology has a significant number of strains that exhibit high biological activity in relation to processes related to the nitrogen cycle (nitrogen fixation, nitrification), destruction of petroleum products, pesticides, destruction (hydrolysis) natural polymers, producers of phytohormones and antagonists of phytopathogens. In the course of research, it is planned to evaluate the diversity of the microbial complex, including prokaryotic (bacteria and archaea) and eukaryotic (fungi, yeast) components; to identify the ability of systems to processes aimed at the destruction of hard-to-reach compounds, the transformation of oxidized and reduced forms of nitrogen (nitrogen fixation, nitrification), and the synthesis of secondary metabolites; to determine the presence of functional genes in microorganisms with biotechnological potential capable of metabolic activity in soils that differ in the parameters of the main environmental factors. It is supposed to store active strains at low temperatures and monitor their viability and preservation of useful properties by modern cytological and molecular biological methods.
В процессе выполнения проекта планируется комплексная оценка разнообразия микробного комплекса, включающая прокариотную (бактерии и археи) его составляющую; выявление способности систем к процессам, направленным на деструкцию труднодоступных соединений (углеводороды, биополимеры), трансформацию окисленных и восстановленных форм азота (азотфиксация, нитрификация), синтез вторичных метаболитов; определение наличия функциональных генов у микроорганизмов, обладающих биотехнологическим потенциалом способных к метаболической активности в почвах, различающихся параметрами основных экологических факторов. Предполагается закладка на хранение при низких температурах активных штаммов и мониторинг их жизнеспособности и сохранения полезных свойств современными цитологическими и молекулярно-биологическими методами. Важной проблемой, стоящей перед почвенными микробиологами является изучение и сохранение некультивируемой части микробного сообщества («молчаливого большинства почвенного сообщества») экстремальных и антропогенно ненарушенных почвенных местообитаний. Проблема представляет как практический (выявление продуцентов БАВ), так и теоретический интерес (изучение новых неисследованных ранее таксонов прокариот). При анализе функционального генетического разнообразия сообщества методом восстановления полного метагенома по данным высокопроизводительного секвенирования авторами проекта было установлено, что количество генов, маркирующих способность сообщества к биодеградации ксенобиотиков выше в реликтовых образцах по сравнению с современными. Инициация системы ресурсом увеличивает долю генов, ответственных за деградацию ксенобиотиков. Так, например, при внесении полисахарида повышается количество генов, ответственных за деградацию полициклических ароматических углеводородов. Тем не менее стоит заметить, что присутствие функционального гена не обязательно означает его активность, однако позволяет говорить о потенциальной возможности к осуществлению процессов, кодируемых данными генами. Выявленное возрастание потенциальной активности сообществ по мере увеличения степени «законсервированности» говорит о высоком биотехнологическом потенциале реликтовых микробных сообществ и открывает возможности для биотехнологического использования штаммов, выделенных из реликтовых местообитаний. Новизна разработанного подхода состоит в возможности усиления биотехнологических свойств микроорганизмов путем интродукции высокоактивных селекционных штаммов и создания условий для их деятельности в природных системах и агроценозах. Последовательное применение процедур реактивации клеток покоящегося сообщества и инициации развития физиологической группы гидролитиков позволило авторам проекта обнаружить прокариотный комплекс, способный к реверсии метаболической деятельности (Манучарова и др., 2016). В образцах криосферы и погребенных палеопочв реактивировано прокариотное мезофильное органотрофное сообщество. Определена структура и выявлены специфические особенности функционального микробного комплекса исследуемых образцов. Выявлено, что потенциальная активность микробного гидролитического сообщества возрастает в ряду сообщества современных почв – сообщества погребенных палеопочв. Впервые молекулярно-биологическими методами (метагеномного анализа и гибридизацией клеток in situ) установлены различия в филогенетической структуре прокариотной метаболически активной гидролитической компоненты многолетнемерзлых грунтов и палеопочв. В современных почвах гидролитический комплекс более разнообразен по сравнению с погребенными почвами и криогенными образцами, где в качестве доминантов-гидролитиков выступают представители групп Actinobacteria (как одноклеточные, так и мицелиальные представители), Proteobacteria и Firmicutes. Значимость результатов предполагаемого проекта заключается в проведении оценки потенциальной активности микробных комплексов, способных к деструкции полютантов в наземных экосистемах, развивающихся в широком диапазоне параметров основных экологических факторов (влажности, температуры, окислительно-восстановительного потенциала). Понимание функциональной значимости азотфиксирующей компоненты гидролитических микробных комплексов в наземных экосистемах может составить приоритет мирового уровня и конкуренцию ведущим школам, работающим в этом направлении. Научная новизна исследований обусловлена уникальной коллекцией образцов экстремальных экосистем, отобранных в разных участках Земного шара и выделенных из них бактерий. Проведенные ранее исследования были выполнены на ограниченном наборе культур, скрининг крупной коллекции, предусмотренных в данной работе, производится В силу чрезвычайно высокой гетерогенности почв, в сочетании с широким разнообразием экосистем, подверженных экстремальному воздействию внешних природных факторов, микробное население этих локусов и их физиологические особенности во многом не исследованы (Goodfellow, 2018). Имеющиеся исследования свидетельствуют о присутствии в составе сообществ подобных экосистем организмов с уникальными физиологическими путями, в том числе способствующих росту и развитию растений (Köberl, 2011), важных участников поддержания плодородия почв (Azua-Bustos 2017, Raddadi, 2018) продуцентов новых антибиотиков (Boubetra 2013), продуцентов мощных экзоферментативных метаболитов. Экстремальные среды обитания являются ценным источником ферментов, применимых в прикладных и промышленных областях ( Kulishova LM, Zharkov DO., 2017; Sahay et al., 2017). На сегодняшний день известны прокариоты, выделенные из экстремальных сред, осуществляющие процесс метаногенеза, синтезирующие широкий спектр органических кислот, продуцирующие молекулярный водород, способные к фиксации атмосферного азота в условиях значительно отличающихся от принятых для этих процессов оптимумов, что позволяет вовлекать эти организмы в процессы ремедиации и промышленного синтеза различных веществ (Poli et al., 2017). В последние годы интенсивно изучаются архейные сообщества почв, осуществляющие окисление аммония (Schleper, Nicol, 2010), что изменило представления о микробных процессах трансформации азота в почвах. По данным сравнительного количественного анализа генов из разных типов почв сделан вывод о том, что архейные сообщества являются самой многочисленной группой аммоний окисляющих прокариот в почвах. Интерес к исследованию этой группы организмов определяется не только важнейшей ролью нитрификации в азотном цикле почв, но и решением практических вопросов, например, доступностью азота в условиях пониженной концентрации кислорода, что тормозит не только развитие растений, но и является фундаментальной проблемой низкой эффективности бактериальных препаратов нефтедеструкторов. Анализ современной литературы свидетельствует о высоком микробном потенциале деструкции нефти в почве, который катастрофически снижается из-за формирования анаэробных условий в результате промышленного разлива нефти и нефтепродуктов. В ходе работы предполагается проверить гипотетическую возможность нитрифицирующих архей, обладающих особым метаболическим путем окисления аммония, проводить нитрификацию в условиях пониженной концентрации кислорода, что позволит нефтеокисляющим прокариотам продолжить эффективное окисление нефти с использованием нитратов в качестве конечного акцептора электронов в дыхательной цепи («нитратное дыхание»). Настоящее исследование позволит создать научные основы решения прикладной задачи – повышения эффективности биоремедиации почв от нефтепродуктов. С помощью методов молекулярной биологии будет дана характеристика архейных сообществ почв в условиях загрязнения нефтью. Результаты исследований позволят разработать новые подходы биоремедиации почв от загрязнения углеводородами. Производство высококачественной пищи для быстро растущего населения Земли (7,2 млрд человек в 2015 г., 10 млрд - прогноз на 2025 г.) определяется главным образом увеличением урожайности растений, что в первую очередь зависит от их снабжения азотом. При этом осуществление этого будет происходить в условиях неуклонного сокращения почвенных ресурсов (из-за эрозии, засоления и опустынивания), требующего вовлечения в оборот новых земель, большинство которых мало благоприятно для земледелия. Существующие ныне агротехнологии, односторонне ориентированные на применение всё более возрастающих доз минеральных (в основном, азотных) удобрений, фактически исчерпали себя, во-первых из-за дороговизны и, во-вторых, из-за быстро растущих экологических рисков ("эвтрофикация" водоремов и рост концентрации в атмосфере Земли закиси азота (N2O) - важнейшего "парникового" микрогаза). Альтернативой однозначно считается широкое использование для азотного питания растений бактерий азотфиксаторов (диазотрофов), способных обеспечить безопасное развитие и рост растений за счет гидролитического контроля. Если до недавнего времени основное внимание обращалось на клубеньковые бактерии, полностью снабжающие азотом бобовые растения (т.н. симбиотическая азотфиксация), то в настоящее время доказана возможность улучшения азотного питания широкого круга небобовых растений (т.н. ассоциативная азотфиксация) за счет диазотрофов-гидролитиков.
Исследована структурная организация микробных сообществ разнообразных наземных экосистем. Изучено микробное биоразнообразие наземных экосистем. Создана уникальная коллекция ценных культур почвенных.Сформулированы основные принципы функционирования микробного сообщества почв. Разработана модификация флюоресцентномикроскопического метода анализа гибридизации клеток in situ (FISH) для определения филогенетического положения метаболически активных гидролитических прокариот вертикальных ярусов наземных экосистем – почвенного, наземного (подстилка) и надземного (филлосфера). Обнаружена новая функциональная активность актиномицетов в гидролитическом прокариотном комплексе. Установлена возможность классификации и биодиагностики образцов наземных экосистем по структурному показателю микробного комплекса.
оценки потенциальной активности микробных комплексов, способных к деструкции полютантов в наземных экосистемах, развивающихся в широком диапазоне параметров основных экологических факторов (влажности, температуры, окислительно-восстановительного потенциала). Понимание функциональной значимости азотфиксирующей компоненты гидролитических микробных комплексов в наземных экосистемах может составить приоритет мирового уровня и конкуренцию ведущим школам, работающим в этом направлении. Научная новизна исследований обусловлена уникальной коллекцией образцов экстремальных экосистем, отобранных в разных участках Земного шара и выделенных из них бактерий.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 апреля 2021 г.-31 декабря 2021 г. | РАЗНООБРАЗИЕ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОГО МИКРОБИОМА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ И АБИОГЕННОЙ НАГРУЗОК |
Результаты этапа: С применением молекулярно-биологических методов и биоинформатического анализа исследовано филогенетическое и функциональное разнообразие прокариотного комплекса почвенных микрокосмов. Доминанты гидролитического сообщества различались между образцами разных климатических зон. Наряду с сокращением разнообразия и численности прокариот в почвах, подверженных антропогенным или абиогенным нагрузкам установлено возрастание количества генов, маркирующих способность сообщества к биодеградации ксенобиотиков, генов, кодирующих превращения азота и уровень метаболизма кофакторов и витаминов. Бактериальный комплекс способен к нитрификации при высоком загрязнении почвы нефтью, а также его роль возрастает в нижних слоях почвенного профиля. Выявленные закономерности указывают на высокий метаболический потенциал прокариотной компоненты рассматриваемых почв. Исследовали воздействие антропогенного фактора на прокариотные сообщества почв как в природных экосистемах (например, на месте разлива нефти (чернозем, торфяная олиготрофная, дерново-подзолистая) или поступления и накопления ПАУ (дерново-подзолистая), так и в модельных опытах с искусственным добавлением углеводородов или биополимеров (чернозем, серая лесная, дерново-подзолистая, каштановая, бурая пустынно-степная, подкурганные каштановые почвы, погребенные вулканические слоисто-пепловые почвы Камчатки, грунты Антарктиды). При проведении модельных экспериментов применяли метод инициации микробной сукцессии увлажнением почвенных образцов водой (до 60% от массы почвы) и, добавлением в опытные образцы ресурсов: биополимеров (хитина или пектина) в количестве 0.6% от массы почвы или углеводородов в количестве, превышающем показатели сильнозагрязненных почв (20% от массы почвы). Методика была описана нами ранее (Манучарова с соавт., 2021). Авторами было установлено снижение биомассы и альфа-разнообразия, а так же смена метаболически активных доминантов – представителей доменов Bacteria и Archaea за счет выхода в доминанты определенных родов – автохтонной микрофлоры, специфичной для определенных условий в микрокосмах, загрязненных нефтью по сравнению с контрольными образцами в процессе микробной сукцессии (Manucharova et al., 2021). Для образцов нефтезагрязненных почв южных широт доминирующая роль принадлежала представителям актинобактерий, для почв центральной и северной широт – протеобактериям. Для образцов чернозема падение разнообразия бактерий в результате загрязнения углеводородами составляет 44% (индекс Шеннона снижается с 7,09 до 4,84). Анализ бета-разнообразия методом главных компонент с применением метрики Брея-Кертиса на уровне сходства 97% достоверно разделил доминанты гидролитического сообщества между исследуемыми образцами на четыре кластера – современные почвы южных широт (каштановая, чернозем), современные почвы северной и центральной части России (дерново-подзолистая, торфяная), погребенные почвы и многолетнемерзлые грунты. Такое разделение указывало на то, что при внесении ресурса доминанты гидролитического сообщества различались между образцами разных климатических зон. На фоне сокращения биоразнообразия в загрязненных образцах по сравнению с контролем определено увеличение содержания функциональных генов (в 2-4 раза), отвечающих за синтез катехол-диоксигеназы (xylE), алкан-монооксигеназы (alkB) и 1,2-гидроксинафталиндиоксигеназа (nahC), маркирующих начальный этап деградации углеводородов. При анализе функционального генетического разнообразия сообщества методом восстановления полного метагенома по данным высокопроизводительного секвенирования гена 16 s рРНК было выявлено, что количество генов, маркирующих способность сообщества к биодеградации ксенобиотиков выше в многолетнемерзлых грунтах по сравнению с современными почвами. Внесение субстрата увеличивает долю генов, ответственных за деградацию ксенобиотиков. На длительных сроках загрязнения наблюдается последействие поллютанта и дальнейшее увеличение численности функциональных генов в сравнении со свежим разливом. По прошествии 7 лет после нефтеразлива бактериальное разнообразие продолжает сокращаться. Выявлены устойчивые и чувствительные представители к нефтезагрязнению. К устойчивым среди филлума Actinomycetota относятся рода Gaiella и Streptomyces. Показано наличие ряда ключевых генов цикла азота (nifH, amoA, nirK, chitA) как в современных, так и погребенных горизонтах исследуемых почв. Наличие копий гена nifH бактерий азотфиксаторов, способных обеспечить систему азотом можно рассматривать как один из этапов самовосстановления почв. В современных почвах наличие генов, отвечающих за возможность фиксации молекулярного азота из воздуха было выше по сравнению с погребенными и достигало 4.54×106 копий гена/г.п., для погребенного горизонта 2.5×104 копий гена/г.п. Важно отметить присутствие, хотя и незначительное, гена nifH в более глубоких слоях почвы, что указывает на возможный потенциал обитающих там микробных сообществ. Для вулканических почв (как современных, так и погребенных) удалось выявить наличие генов аммоний окисляющих бактерий и архей. Динамика присутствия гена amoA в современном горизонте вулканической перегнойно-охристой почвы демонстрирует увеличение его концентрации в бактериальном комплексе в вариантах с нефтью (2.3×107 копий ДНК/г.п.) к 10 суткам сукцессии. Бактериальный комплекс способен к нитрификации при высоком загрязнении почвы нефтью, а также его роль возрастает в нижних слоях почвенного профиля. Таким образом, влияние антропогенной нагрузки изменяет «метаболический профиль» почвенных сообществ, что выражается как в увеличении количества микроорганизмов, обладающих биотехнологически ценными свойствами (кол-во функциональных генов), так и в изменении состава этих микроорганизмов, что и открывает возможность для поиска новых биотехнологически ценных штаммов. | ||
2 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | РАЗНООБРАЗИЕ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОГО МИКРОБИОМА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ И АБИОГЕННОЙ НАГРУЗОК |
Результаты этапа: Проведена оценка биологического разнообразия и экологических функций метаболически активных прокариотных сообществ почв, загрязненных нефтью и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). За отчетный период объектами исследования являлись микробные сообщества современных почв (чернозема, каштановой) и реликтовых местообитаний (подкурганные каштановые почвы, погребенные вулканические слоисто-пепловые почвы Камчатки, образцы многолетнемерзлых грунтов Антарктиды, подвергавшихся одновременному погребению на большой глубине и воздействию низких температур). К изучению прокариотных сообществ использовался комплексный подход: молекулярно-биологические методы оценки (высокопроизводительное секвенирование и метагеномный анализ результатов с выявлением доминантов сообщества, обладающих различными биотехнологичными функциями; определение метаболически активных компонент отдельных групп и таксонов методом флуоресцентной in situ гибридизации). В загрязненных почвах установлено снижение микробного разнообразия, численности и биомассы метаболически активных клеток прокариот по сравнению с незагрязненными почвами. Доля метаболически активных компонентов от всех выявляемых клеток прокариот сокращалась до 30 % для образцов гумусовых горизонтов загрязненных зональных почв (чернозем, каштановая, серая лесная, дерново-подзолистая), для образцов исследованного торфа, загрязненного углеводородами, она составляла 0.1 часть (10 %) от всего выявляемого прокариотного сообщества. Определено формирование специфического комплекса бактерий с доминантами определенных родов автохтонной микрофлоры, различающихся в зависимости от типа почв. Для образцов нефтезагрязненных почв южных широт доминирующая роль принадлежала представителям актинобактерий, для почв центральной и северной широт – протеобактериям. Определение потенциально возможных метаболически активных устойчивых видов прокариот - разрушителей углеводородов и выявление наличия функциональных генов в исследуемых почвах, поможет получить информацию, которая полезна для биоиндикации и биоремедиации почв, загрязненных углеводородами, а также увеличения их хозяйственной значимости и ценности. В почвах, загрязнённых нефтью и полициклическими ароматическими углеводородами, на фоне снижения биомассы метаболически активных прокариот по сравнению с контролем наблюдается увеличение содержания функциональных генов, отвечающих за синтез катехол-диоксигеназы(xylE), алкан-монооксигеназы (alkB) и бензил-сукцинатсинтазы (bssA), маркирующих начальный этап деградации углеводородов. При долгосрочном влиянии поллютанта (7 лет после разлива нефти) в образцах чернозема выявлен рост содержания копий функциональных генов, кодирующих синтез ферментов катехол– диоксигеназы (xylE) и алкан-монооксигеназы (alkB) при одновременном снижении бактериального разнообразия. В настоящее время существуют комплексные подходы к рекультивации нефтезагрязненных почв в зависимости от типа и мощности загрязнений, учитывая биоклиматические, геоморфологические факторы, а также почвенно-растительные условия. В целях ремедиации нефтезагрязненных торфяных почв рекомендуется использовать минеральные удобрения (NPK) на фоне известкования – это приводит к увеличению биомассы клеток, числа копий функциональных генов (bssА, nifH), маркирующих деструкцию углеводородов и нитрогеназную активность, а также к снижению содержания нефтепродуктов. Внесение полного минерального удобрения на фоне известкования в загрязненную нефтью торфяную почву сопровождается изменением филогенетической структуры и частичным восстановлением метаболически активного прокариотного комплекса. Для загрязненных нефтью образцов чернозема, установлено, что совместное внесение нитрата и хлорида калия приводит к возрастанию более чем в 2 раза копий генов 16S, функциональных генов, отвечающих за синтез ферментов алканмонооксигеназ и биомассы метаболически активных клеток прокариот, содержащих эти функциональные гены. В опытных образцах выявлено формирование специфического комплекса бактерий, в котором преобладали представители Actinobacteria (Rhodococcus erythropolis) и Alphaproteobacteria (Bradyrhizobium japonicum). Rhodococcus erythropolis и Bradyrhizobium japonicum, являясь автохтонными организмами в незагрязненном черноземе начинают занимать доминирующие позиции в нефтезагрязненных образцах, а внесение агроремедианта (нитратов) лишь усиливает этот эффект. Установлена зависимость метаболической активности бактерий, обладающих биотехнологическим потенциалом, в черноземе, загрязненном нефтью, от способа ремедиации (от формы внесения бактерий в почву). Определено, что применение микрокапсул из полимочевины с хитозаном и наличие в биокомпозитах гуминовых веществ и полимолочной кислоты (хороший ресурс) способствуют как увеличению численности метаболически активных клеток, так и возрастанию числа копий функциональных генов, отвечающих за синтез алкан-монооксигеназы, приводя тем самым к возрастанию их метаболической активности в нефтезагрязненном черноземе. Полученные результаты могут быть полезны при разработке эффективных бактериальных препаратов. | ||
3 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | РАЗНООБРАЗИЕ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОГО МИКРОБИОМА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ И АБИОГЕННОЙ НАГРУЗОК |
Результаты этапа: С применением молекулярно-биологических методов и биоинформатического анализа исследовано филогенетическое и функциональное разнообразие прокариотного комплекса почвенных микрокосмов. Доминанты гидролитического сообщества различались между образцами разных климатических зон. Наряду с сокращением разнообразия и численности прокариот в почвах, подверженных антропогенным или абиогенным нагрузкам установлено возрастание количества генов, маркирующих способность сообщества к биодеградации ксенобиотиков, генов, кодирующих превращения азота и уровень метаболизма кофакторов и витаминов. Бактериальный комплекс способен к нитрификации при высоком загрязнении почвы нефтью, а также его роль возрастает в нижних слоях почвенного профиля. Выявленные закономерности указывают на высокий метаболический потенциал прокариотной компоненты рассматриваемых почв. Исследовали воздействие антропогенного фактора на прокариотные сообщества почв как в природных экосистемах (например, на месте разлива нефти (чернозем, торфяная олиготрофная, дерново-подзолистая) или поступления и накопления ПАУ (дерново-подзолистая), так и в модельных опытах с искусственным добавлением углеводородов или биополимеров (чернозем, серая лесная, дерново-подзолистая, каштановая, бурая пустынно-степная, подкурганные каштановые почвы, погребенные вулканические слоисто-пепловые почвы Камчатки, грунты Антарктиды). При проведении модельных экспериментов применяли метод инициации микробной сукцессии увлажнением почвенных образцов водой (до 60% от массы почвы) и, добавлением в опытные образцы ресурсов: биополимеров (хитина или пектина) в количестве 0.6% от массы почвы или углеводородов в количестве, превышающем показатели сильнозагрязненных почв (20% от массы почвы). Методика была описана нами ранее (Манучарова с соавт., 2021). Авторами было установлено снижение биомассы и альфа-разнообразия, а так же смена метаболически активных доминантов – представителей доменов Bacteria и Archaea за счет выхода в доминанты определенных родов – автохтонной микрофлоры, специфичной для определенных условий в микрокосмах, загрязненных нефтью по сравнению с контрольными образцами в процессе микробной сукцессии (Manucharova et al., 2021). Для образцов нефтезагрязненных почв южных широт доминирующая роль принадлежала представителям актинобактерий, для почв центральной и северной широт – протеобактериям. Для образцов чернозема падение разнообразия бактерий в результате загрязнения углеводородами составляет 44% (индекс Шеннона снижается с 7,09 до 4,84). Анализ бета-разнообразия методом главных компонент с применением метрики Брея-Кертиса на уровне сходства 97% достоверно разделил доминанты гидролитического сообщества между исследуемыми образцами на четыре кластера – современные почвы южных широт (каштановая, чернозем), современные почвы северной и центральной части России (дерново-подзолистая, торфяная), погребенные почвы и многолетнемерзлые грунты. Такое разделение указывало на то, что при внесении ресурса доминанты гидролитического сообщества различались между образцами разных климатических зон. На фоне сокращения биоразнообразия в загрязненных образцах по сравнению с контролем определено увеличение содержания функциональных генов (в 2-4 раза), отвечающих за синтез катехол-диоксигеназы (xylE), алкан-монооксигеназы (alkB) и 1,2-гидроксинафталиндиоксигеназа (nahC), маркирующих начальный этап деградации углеводородов. При анализе функционального генетического разнообразия сообщества методом восстановления полного метагенома по данным высокопроизводительного секвенирования гена 16 s рРНК было выявлено, что количество генов, маркирующих способность сообщества к биодеградации ксенобиотиков выше в многолетнемерзлых грунтах по сравнению с современными почвами. Внесение субстрата увеличивает долю генов, ответственных за деградацию ксенобиотиков. На длительных сроках загрязнения наблюдается последействие поллютанта и дальнейшее увеличение численности функциональных генов в сравнении со свежим разливом. По прошествии 7 лет после нефтеразлива бактериальное разнообразие продолжает сокращаться. Выявлены устойчивые и чувствительные представители к нефтезагрязнению. К устойчивым среди филлума Actinomycetota относятся рода Gaiella и Streptomyces. Показано наличие ряда ключевых генов цикла азота (nifH, amoA, nirK, chitA) как в современных, так и погребенных горизонтах исследуемых почв. Наличие копий гена nifH бактерий азотфиксаторов, способных обеспечить систему азотом можно рассматривать как один из этапов самовосстановления почв. В современных почвах наличие генов, отвечающих за возможность фиксации молекулярного азота из воздуха было выше по сравнению с погребенными и достигало 4.54×106 копий гена/г.п., для погребенного горизонта 2.5×104 копий гена/г.п. Важно отметить присутствие, хотя и незначительное, гена nifH в более глубоких слоях почвы, что указывает на возможный потенциал обитающих там микробных сообществ. Для вулканических почв (как современных, так и погребенных) удалось выявить наличие генов аммоний окисляющих бактерий и архей. Динамика присутствия гена amoA в современном горизонте вулканической перегнойно-охристой почвы демонстрирует увеличение его концентрации в бактериальном комплексе в вариантах с нефтью (2.3×107 копий ДНК/г.п.) к 10 суткам сукцессии. Бактериальный комплекс способен к нитрификации при высоком загрязнении почвы нефтью, а также его роль возрастает в нижних слоях почвенного профиля. Таким образом, влияние антропогенной нагрузки изменяет «метаболический профиль» почвенных сообществ, что выражается как в увеличении количества микроорганизмов, обладающих биотехнологически ценными свойствами (кол-во функциональных генов), так и в изменении состава этих микроорганизмов, что и открывает возможность для поиска новых биотехнологически ценных штаммов. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".