Изменения пула генов сообществ микроорганизмов при нефтяных загрязнениях почв
Эта страница посвящена проекту при поддержке Российского научного фонда "Изменения пула генов сообществ микроорганизмов при нефтяных загрязнениях почв". Номер проекта 17-74-20183.
Руководитель проекта:
Данное исследование было направлено на получение новых знаний о механизмах формирования микробных сообществ и генного пула в почвах при загрязнении нефтепродуктами. Полученные данные станут теоретической основой для разработки технологий очистки нефтезагрязненных почв и ремедиации нефтешламов. Реализация таких технологий позволит обеспечить более безопасные с точки зрения охраны природы добычу, транспортировку и переработку углеводородного сырья, что снизит наносимый нефтяным загрязнением экологический ущерб, и, таким образом, повысит экономическую эффективность этих процессов.
В ходе реализации проекта получены следующие результаты:
Количество бактериальных и грибных копий генов в незагрязненных почвах было характерным для почв соответствующих типов и находилось на уровне 105-107 для бактерий и 103-105 для грибов. Нефтяное загрязнение, несмотря на его значительный уровень (6-25%), не привело к значительным долгосрочным изменениям количества бактерий и грибов в лабораторном эксперименте. В отобранных в полевых условиях нефтезагрязненных образцах значительного снижения количества бактериальных и грибных копий генов так же не наблюдалось. Бактериальные сообщества незагрязненных почв в лабораторном эксперименте характеризовались значительной степенью схожести (более 73% пула была общим для трех почвенных образцов), а загрязнение привело к однонаправленным сукцессиям в сообществах всех почв при всех уровнях загрязнения, заключавшихся, в частности, в значительном увеличении обилия Rhodococcus sp. и представителя класса TM7-3 (Saccharibacteria) с исходного уровня менее 1%. В полевых исследованиях схожесть бактериальных биомов оказалась меньшей (46% общих видов для 6 почвенных образцов), однако нефтяное загрязнение так же привело к доминированию одинаковых ОТЕ, в частности, относящихся к семейству Noccardiaceae, в результате чего сходства сообществ в загрязненных почвах были значительными. Грибные сообщества незагрязненных почв (и в случае лабораторного, и в случае полевого исследования) больше различались между собой, чем бактериальные, видовой состав загрязненных почв так же был различен, изменения в результате нефтяного загрязнения не имели общего направления. Тем не менее, для грибных сообществ был характерен единый тренд, заключавшийся в том, что в результате нефтяного загрязнения доминантами становились (оставались) те ОТЕ, которые способны разлагать лигнин и целлюлозу (и соответственно, ароматические углеводороды), например, относящиеся к роду Fusarium.
На основании данных о составе бактериальных сообществ в трех типах почв в условиях лабораторного эксперимента, а также его динамике в результате загрязнения нефтью в трех концентрациях, был выявлен перечень видов с экспоненциальным ростом в условиях загрязнения. В этом перечне были отмечены ОТЕ, которые являются носителями катаболических генов групп alkI, alkII, alkIII, GP-PAH, GN-PAH, а также которые являются типичными углеводородокислителями согласно опубликованным данным. ОТЕ обеих категорий выделены отдельно для каждого из трех типов почв, использованных в лабораторном эксперименте – дерново-подзолистая, серая лесная, чернозем типичный. К ним относятся, в частности, Rhodococcus sp., Pseudomonas sp. и ряд других. Оставшиеся ОТЕ, для которых отмечен экспоненциальный рост, являются вероятными реципиентами плазмид, несущих гены, кодирующие способность окислять углеводороды
Среди ряда исследованных катаболических генов, значительный рост количества копий и экспрессии при нефтяном загрязнении как в лабораторном, так и в полевом исследовании выявлен для генов группы alkIII, кодирующих способность бактерий окислять длинноцепочечные алканы, а так же для генов группы GN-PAH, кодирующих способность грамотрицательных бактерий окислять ароматические углеводороды.
На основании данных об экспрессии генов горизонтального трансфера (traG, flgC, ompF), количества катаболических плазмид IncP-7 и IncP-9, о количестве копий общебактериальных генов 16S рРНК, относительного и абсолютного обилия ОТЕ, количества и экспресии катаболических генов установлено, что преимущественным механизмом, обеспечивающим формирование углеводородокисляющих сообществ при нефтяном загрязнении, является пролиферация клеток бактерий, которые были способны к окислению углеводородов и до загрязнения, причем их обилие в сообществах незагрязненных почв являлось крайне низким, однако после загрязнения они стали доминантами. Примерами таких бактерий являются Rhodococcus sp. и представитель класса TM-7, рост обилия, которых привел к изменению доминирования и на уровне типов. Тем не менее, процесс горизонтального трансфера катаболических генов так же имеет место быть в условиях нефтяного загрязнения, представляя собой дополнительный механизм ответа сообщества в условиях такого рода стресса. Количественно роль горизонтального трансфера невелика, однако в его результате в сообществе появляются виды с новыми свойствами, а также сохраняется высокое биологическое разнообразие бактерий в нефтезагрязненных почвах.
В процессе выполнения работ были созданы запланированные в проекте базы данных: база данных углеводородокисляющих микроорганизмов, приуроченных к почвам различных типов; база данных генов, кодирующих способность к окислению углеводородов в почвах различных типов; - перечень видов, являющихся наиболее вероятными реципиентами плазмид, несущих гены, кодирующие способность окислять углеводороды и характеристика доминирующих генов, ответственных за окисление углеводородов. Они размешены в открытом доступе в виде гугл-документа. Предполагается постоянно дополнение созданных баз как собственными полученными результатами, так и данными других авторов.
Результаты проекта были представлены на III международной конференции «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: экологические вызовы XXI века» (Казань, Россия), Генеральной Ассамблее 2018 Европейского Союза наук о Земле, (Вена, Австрия), а также на интернациональной мультидисциплинарной научной конференции наук о Земле SGEM с 2018 по 2020 гг. (Албена, Болгария).
