Почвенные микробиомы: геномное разнообразие, функциональная активность, география и биотехнологический потенциалНИР

Soil microbiomes: genomic diversity, functional activity, geography and biotechnological potential

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Исследование почвенных микробных сообществ аридных и тропических экосистем, оценка их физиологического состояния и функциональной активности.
Результаты этапа: В исследованных образцах аридных почв и пород установлена общая численность прокариотных клеток на уровне 10^7 – 10^8 клеток/г, из которых до 6.7% способны переходить в метаболически активное состояние in situ после увлажнения и до 5% культивируются на питательных средах. Структура сообществ культивируемых бактерий исследованных образцов крио-аридных и жарких аридных почв и пород была сходна на уровне филумов (Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes), в то же время, отмечены существенные различия на родовом уровне. Наиболее разнообразные в таксономическом и функциональном отношении бактериальные сообщества выявлены в мерзлых породах Северного острова архипелага Новая Земля и поверхностном горизонте почвы пустыни Мохаве. В ходе работы составлена коллекция из 430 культур представителей 59 родов аэробных гетеротрофных бактерий, в том числе 11 штаммов ранее не описанных видов. Выявлены штаммы бактерий (33 штамма) проявляющие наибольшую толерантность к температурам, рН среды и присутствию водорастворимых солей, для 13 штаммов показана множественная антибиотикоустойчивость. Установлено, что актиномицеты являются неотъемлемым компонентом всех микробных комплексов заповедных зон Вьетнама. Высокие показатели численности и длины актиномицетного мицелия и доминирование стрептомицетов в сапротрофном бактериальном комплексе свидетельствуют о важной роли данных микроорганизмов в деструкции органического вещества в исследуемых субстратах. Общая численность актиномицетов в исследованных образцах почвы и растительного опада достигала до 10^8 КОЕ/г почвы, длина актиномицетного мицелия до 1000 м, что на 2 порядка выше, чем в других почвах с низкими значениями рН. В структуре актиномицетного комплекса всех изученных субстратов доминировал род Streptomyces. Составлена коллекция из 80 штаммов актиномицетов, выделенных из почв и опада заповедных зон Вьетнама, 12 штаммов показали высокую антибиотическую активность по отношению к тест-культурам.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Метагеномный анализ нефтезагрязненных почв, научные основы ремедиации почв от нефти и нефтепродуктов.
Результаты этапа: Проведено исследование влияния разливов нефти и нефтепродуктов на активность и структуру микробных сообществ в почвах разных биоклиматических зон России. В загрязненных почвах выявлено снижение микробного разнообразия и смена метаболически активных представителей доменов Bacteria и Archaea, по сравнению с контрольными образцами. В присутствии нефти отмечено формирование специфического комплекса бактерий с доминантами определенных родов автохтонной микрофлоры, различающихся в зависимости от типа почв. Для образцов нефтезагрязненных почв южных широт доминирующая роль в структуре микробного комплекса принадлежала представителям актинобактерий, для почв центральной и северной широт – протеобактериям. В почвах, загрязнённых нефтью, на фоне снижения биомассы метаболически активных прокариот наблюдалось увеличение содержания функциональных генов (xylE, alkB, bssA), маркирующих начальный этап деградации углеводородов. Показано, что внесение в загрязненную торфяную почву полного минерального удобрения (N40P50K50) на фоне известкования (1/2 гидролитической кислотности) приводит к возрастанию более чем в 2 раза биомассы клеток прокариот, числа копий функциональных генов (bssА и nifH), что сопровождается значительным снижением концентрации нефти в почве. Также установлено, что внесение хитина в нефтезагрязненную почву на порядок увеличивает численность метаболически активного микробного сообщества, способствует оструктуриванию почвы и уменьшает содержание нефтепродуктов. В ходе проведенного исследования собрана коллекция штаммов прокариот - деструкторов углеводородов, представляющих интерес для использования в технологиях ремедиации почв от нефтепродуктов. Исследование собранной коллекции в настоящее время продолжается.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Микробное население городских почв: особенности формирования и функции.
Результаты этапа: Проведенные исследования урбаноземов и конструктоземов в различных городах Европейской территории РФ (Краснодара, Майкопа, Москва, Ростов-на-Дону, Сочи, Симферополя, Сыктывкар) показали, что микробиологические показатели в городских почвах в значительной степени изменяются в зависимости от типа и интенсивности антропогенного влияния, а также воздействия факторов окружающей среды. Общий список видов дрожжевых грибов, обнаруженных нами в городских почвах, подтверждает высокое таксономическое разнообразие почвенных дрожжевых сообществ. Разнообразие дрожжевых грибов почв г. Москвы выше, чем в ненарушенных зональных почвах Европейской территории России. Пигментированные дрожжи являются четким биоиндикатором загрязнения городской почвы. Показано отсутствие типичных для природных экосистем педобионтных видов дрожжей из родов Saitozyma и Solicoccozyma в зоне максимального автотранспортного загрязнения, а также в зоне теплового загрязнения (район теплотрасс). Значимым показателем при использование почвенных дрожжевых грибов в биоиндикации городских почв также можно считать критерий присутствия клинически значимых аскомицетовых видов дрожжевых грибов рода Candida. Впервые проведено комплексное исследование структуры сапротрофного бактериального комплекса городских почв одновременно с оценкой санитарно-микробиологического состояния. Показано, что в урбаноземах на территории некоторых южных крупнейших (г. Краснодар) и крупных (г. Симферополь, г. Сочи) городов происходит трансформация бактериального комплекса в сторону увеличения представленности семейства Enterobacteriaceae по сравнению с городскими фоновыми и зональными фоновыми почвами. Чем интенсивнее антропогенное воздействие (высокая численность населения, туристическая нагрузка, близость прибрежной полосы), тем сильнее выражено изменение в структуре комплекса. В городских почвах, находящихся под влиянием сильной антропогенной нагрузки, может происходить нарушение такой важной экологической функции почвы как «бактериальный фильтр», что может представлять определенную опасность для здоровья населения. Общая численность бактерий в исследованных образцах твердых атмосферных выпадений (ТАВ) городов Европейской части России (Москва, Сыктывкар, Ростов-на-Дону, Краснодар) составляли от 1.0 до 4,7 млрд. клеток /г, что было ниже численности бактерий в образцах урбаноземов. Численность сапротрофных культивируемых бактерий в образцах ТАВ варьировала от 2,5 до 46,8 млн. КОЕ /г и была в несколько раз ниже, чем в почве (от 10,2 до 31,5 млн. КОЕ/г). Среди сапротрофных культивируемых бактерий в образцах ТАВ доминировал род Micrococcus, иногда к нему присоединялись роды Arthrobacter и Streptomyces, в почвах доминировали представители других родов бактерий. Максимальное видовое разнообразие бактерий семейства Enterobacteriaceae было зафиксировано в образцах ТАВ, отобранных на участках с повышенной антропогенной и транспортной нагрузкой (Хамовники и ТТК). Санитарно-показательный микроорганизм Escherichia coli обнаружен во всех образцах ТАВ и почвы г. Москвы, его содержание варьировало от 10 до 100 КОЕ/г, что по оценке степени эпидемической опасности позволяет отнести их к умеренно опасным. Впервые представлена комплексная (количественная и качественная) характеристика прокариотных сообществ твердых атмосферных выпадений (пылеаэрозоля) и городских почв (урбаноземов и реплантозема) на территории г. Москвы на участках с разной интенсивностью антропогенной нагрузки. Среди культивируемых бактерий в пылеаэрозолях доминировали представители рода Micrococcus, в то время как в почвах – представители филума Proteobacteria. В образцах твердых атмосферных выпадений обнаружены представители семейства Enterobacteriaceae (бактерии родов Escherichia, Klebsiella, Enterobacter и Citrobacter), среди которых имеются виды, потенциально патогенные для человека. Максимальное видовое разнообразие бактерий семейства Enterobacteriaceae зафиксировано в образцах ТАВ, отобранных на участках с повышенной транспортной нагрузкой и в центральных районах города. На основании значений экологических индексов, рассчитанных для прокариотных сообществ in situ (баркодинг гена 16S рРНК), можно сделать вывод, что сообщества пылеаэрозолей характеризуется более низким таксономическим разнообразием по сравнению с сообществами близко расположенных урбаноземов и реплантозема. Очевидно, что на формирование прокариотных сообществ пылеаэрозолей оказывает значительное влияние индивидуальная устойчивость микроорганизмов к факторам среды, процессы пылепереноса, а также степень антропогенной нагрузки. Бактериофаги были обнаружены во всех исследованных образцах верхних горизонтов почв (урбанозем и природные почвы). Численность бактериофагов, подсчитанная с помощью красителя SYBR Green I, достигала значительных величин (0,34–5,7 млрд в 1 г почвы) и была сравнима с их численностью в донных отложениях. Численность фагов большинства исследованных почв была несколько ниже численности бактерий. При помощи просвечивающей электронной микроскопии выявлено присутствие следующих морфотипов: икосаэдрические, хвостатые и нитчатые бактериофаги. Присутствовали следующие морфотипы: икосаэдрические, хвостатые и нитчатые бактериофаги. Модельный опыт с внесением концентрированных фаговых суспензий приводило к изменению численности бактериальной популяции. Обнаружено, что содержание биомассы грибных спор и водорослей выше в пыли, чем в верхнем горизонте почвы, и не зависит от природных условий расположения города, но определяется локальными условиями функционального использования территории. Массовая доля грибной и водорослевой биомассы в составе придорожной пыли выше в 1,5–6 раз, чем в пыли рекреационных участков и составляет сотые доли процента от всей массы пыли. Разнообразие, численность и видовая структура комплексов культивируемых грибов в пыли и почве городов различаются. В пыли выявлено более высокое видовое богатство культивируемых микромицетов, чем в поверхностных горизонтах городских почв. Разнообразие грибов может быть несколько выше в пыли на придорожной территории по сравнению с парковой. Наибольшее видовое богатство культивируемых микромицетов выявлено в пыли Сыктывкара и Сочи, наименьшее – в Москве и Краснодаре. Наибольшее видовое разнообразие водорослей выявлено в пыли Москвы и Сочи, наименьшее - в Сыктывкаре. Показано, что на уровень присутствия на таксономический состав грибов и водорослей в городских почвах и пыли оказывают влияние как природно-климатические факторы, так и интенсивность и характер человеческого воздействия на среду обитания; при этом существует существенное отличие грибных комплексов твердых атмосферных выпадений (седиментов) и почв, что говорит о существовании в городской среде самостоятельного пула микроорганизмов пыли. Проведенный мониторинг измененеия микробного населения конструктоземов (Краснодара, Майкопа, Москва, Сочи, Симферополя, Сыктывкар) выявил, что в течение первого года с момента их создания таксономическое разнообразие и функциональная активность грибного пула существенно выше, чем в окружающих урбаноземах. Спустя год в конструктоземах таксономическое разнообразие грибов возрастает, изменяется характер распределения численности разных трофических групп, метаболическая активность грибного пула, происходит переориентация сообществ на новые субстраты. Скорости протекания грибных сукцессий конструктозёмов различны в городах разных природных зон. В северных регионах изменение микобиоты происходит медленнее, и, спустя год, сообщество сохраняет основные свойства от исходного, интродуциремого в процессе конструирования. В южных регионах сообщество трансформируется быстрее, спустя год приобретая сходные черты, характерные для почвенной микобиоты конкретного города. При сравнении метаболической активности грибов верхних слоев конструктоземов в момент закладки и через год показано, что в слоистых активность грибного пула выросла по сравнению с исходной, а в смешанных она осталась на том же уровне или слегка уменьшилась, но изменилась интенсивность потребления некоторых субстратов.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Исследование функциональной активности (участие в продукции БАВ и разложении полимеров, роль в процессах почвообразования) микробного комплекса, ассоциированного с почвенной мезофауной.
Результаты этапа:
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Изучение бактериальных и грибных сообществ торфяных почв (нативные и агроценозы), оценка их функциональной роли.
Результаты этапа:
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Роль почвенного микробиома в образовании и поглощении парниковых газов
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

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".