ИСТИНА

Проект направлен на установление роли ферментативных процессов в формировании пула устойчивого органического вещества почв при гумификации и органо-минеральных взаимодействиях. Конкретной масштабной задачей проекта является установление роли окислительных и гидролитических ферментов целлюлолитического и лигнолитического комплекса микроорганизмов - гидролаз, литических полисахарид монооксигеназ (ЛПМ), целлобиозо дегидрогеназы (ЦДГ), лакказы - в стабилизации/дестабилизации полисахаридов, фенольных соединений и гумусовых веществ в почвах.

The increase in the concentration of CO2 in the atmosphere and climate warming is a global problem, largely due to an imbalance between the emission and sink of CO2 due to anthropogenic activities. Increasing CO2 runoff into long residencetime reservoirs and reducing emissions are the main strategies to address it. Soils serve as the main reservoir of Corg in terrestrial ecosystems. The origin and composition of stabilized soil carbon, as well as stabilization mechanisms, remain an unresolved fundamental problem. Particularly relevant are studies related to the study of biological factors of the stability of humus substances in soils. The project is aimed at establishing the role of enzymatic processes in the formation of a pool of stable soil organic matter during humification and organo-mineral interactions. The specific large-scale task of the project is to establish the role of oxidative and hydrolytic enzymes of the cellulolytic and lignolytic complex of microorganisms - hydrolases, lytic polysaccharide monooxygenases (LPM), cellobiose dehydrogenase (CDH), laccase - in the stabilization / destabilization of polysaccharides, phenolic compounds and humic substances in soils. Polysaccharides make up a labile pool, and their biodegradation makes the main contribution to microbial respiration and CO2 emission. Lytic polysaccharide monooxygenases catalyze the breakdown of polysaccharides by oxygen or peroxide with the formation of carboxylated oligosaccharides, which is of great interest in the framework of adsorption models of Corg stabilization and opens up new prospects for studying the processes of oxidative acid formation during humification, which contribute to the mobilization and adsorption stabilization of carbohydrate components, and the residual accumulation of more stable substances . The role of VSLs in the transformation of soil organic matter and their prevalence in soils has not been studied at all. The interaction of CVL, hydrolases, laccase, CDH during the degradation of polysaccharides and phenolic substrates has not been studied, and the mechanisms that promote carbon binding have not been established. This is a completely new line of research, which is supposed to be developed during the project. It is planned to study the distribution of copies of the VSL, laccase, and hydrolase genes in soils, to isolate the producers of these enzymes from soils, to search for genes encoding xylanases and endoglucanases, as well as VSLs that degrade xylan and cellulose in the genomes of soil bacteria and fungi, to obtain enzyme preparations based on recombinant producers. For the first time, the interaction of CVL, hydrolases, laccase with polysaccharides in the presence of soil minerals will be studied, the sorption processes of decomposition products of cellulose and xylan under the influence of CVL will be studied, and the role of humic acids as CVL reducers will be studied. The project is supposed to study the contribution of the composition of the microbiome to the formation of the stability of humic substances as an ecosystem property, which will significantly expand the understanding of the drivers of carbon sequestration in soils. The persistence and accumulation of humic substances will be assessed as a function of the composition of the soil microbiome and a function of the chemical composition of organic material (content of aromatic structures). As a result of the project, it is planned to build a model of the interaction of enzymes during the stabilization/destabilization of polysaccharides and phenolic compounds in the soil based on the results of a study of soil microbial communities and the production of enzymes by these communities, and a study of reactions involving purified enzyme preparations. It is assumed that the research will make a significant contribution to the solution of fundamental and applied problems of soil science, biogeochemistry and biochemistry. The planned experiments will make it possible to draw a conclusion about the prevalence of VSL, laccase, hydrolases in soils, confirm or refute the hypothesis about the role of VSL in the adsorption stabilization of oligosaccharides, and expand our understanding of the role of ecosystem conditions and themicrobiome in the formation of the composition of stable humus compounds.

Результатами выполнения проекта будут: 1. Будут охарактеризованы микробные (бактерии и грибы) сообщества почв зонального ряда (дерново-подзолистых, серых лесных, черноземов) с точки зрения их таксономического и функционального состава по их способности разлагать полисахариды и фенольные соединения. Будет охарактеризована продукция окислительных и гидролитических ферментов целлюлолитического комплекса и лигнинолитичского комплекса микробных сообществ. 2. Впервые в мире будет исследована распространённость литических полисахарид монооксигеназ (ЛПМ) в почвах, а также роль этих ферментов в процессах стабилизации/дестабилизации углерода и органо-минеральных взаимодействиях. 3. Будут изучены механизмы стабилизации органического углерода в почвах при взаимодействии ЛПМ с гидролазами разложения целлюлозы и ксилана (эндоглюканаза, ксиланаза) и оксидоредуктазами разложения лигнина (целлобиозо дегидрогенза, лакказа). 4. Будет оценена устойчивость и накопление гумусовых веществ как функция состава микробиома, наличия/отсутствия лигнолитических деструкторов и их ферментов и функция химического состава органического материала (содержания ароматических конденсированных структур, лигнина). 5. Будет построена модель взаимодействия оксидоредуктаз и гидролаз при стабилизации/дестабилизации органического углерода в почвах.

Проведены исследования, касающиеся роли лакказы в образовании и деструкции гуминовых веществ. Обобщены данные, касающиеся проблем терминологии и генезиса гуминовых веществ. Изучена роль трехдоменных лакказ базидиомицетов, аскомицетов в трансформации ГК лесных почв, впервые показана возможность деструкции ГК лакказой зигомицета. Показана возможность полимеризации ГК в присутствии двухдоменных лакказ стрептомицетов, что предполагает важную роль лакказы в синтезе гумусовых веществ. Впервые показана возможность реакций конденсации и образования ФК-подобных олигомеров из фенольных мономеров в присутствии лакказы, иммобилизованной на каолините, при низких концентрациях субстрата и проточных условиях , что доказывает протекание реакций вторичного синтеза в почвах. Впервые показана возможность деградации гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы целлобиозо дегидрогеназой, что предполагает важную роль фермента в процессах трансформации гумусовых веществ. Проведены работы поразработке метода дифференцированного определения активности двухдоменных и трехдоменных лакказ в почвах в присутствии азида натрия. Полученные данные не позволили сделать однозначный вывод о соотношении двухдоменных и трехдоменных лакказ в почвах зонального ряда, поэтому необходимы дальнейшие исследования в этой области с привлечением методов молекулярного анализа (ПЦР в реальном времени), позволяющие определить экспрессию генов. Изучен метагеном пельтигеровых и леканоровых лишайников, проведен биоинформатический анализ генов лакказы, построены эволюционные деревья генов лакказы. Изучены лакказы в ацидобактериях, проведены работы по получению рекомбинантных трехдоменных лакказ. Изучен состав бактериальных сообществ эстремальных мест обитания.

Будет установлена роль окислительных и гидролитических ферментов целлюлолитического и лигнолитического комплекса микроорганизмов - гидролаз, литических полисахарид монооксигеназ (ЛПМ), целлобиозо дегидрогеназы (ЦДГ), лакказы - в стабилизации/дестабилизации полисахаридов, фенольных соединений и гумусовых веществ в почвах. Предполагается, что исследования внесут весомый вклад в решение фундаментальных и прикладных проблем почвоведения, биогеохимии и биохимии. Планируемые эксперименты позволят сделать вывод о распространенности ЛПМ, лакказы, гидролаз в почвах, подтвердить или опровергнуть гипотезу о роли ЛПМ в адсорбционной стабилизации олигосахаридов, расширят представления о роли экосистемных условий и микробиома в формировании состава устойчивых соединений гумуса.