УДК 631.48:631.461:577.2
DOI:10.24412/cl-36359-2021-55-59

 

ПОЧВЕННЫЙ МИКРОБИОМ ПОСТТЕХНОГЕННЫХ КАРЬЕРОВ  РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

 

SOIL MICROBIOM OF POST-TECHNOGENIC QUARRIES IN THE REPUBLIC OF BASHKORTOSTAN

 

Е.В. Абакумов1, А.О. Зверев1, А.Р. Сулейманов2, Р.Р. Сулейманов2,3

E.V. Abakumov1, A.О. Zverev1, А.R. Suleymanov2, R.R. Suleymanov2,3

 

1ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

2ФГБНУ Уфимский Институт биологии уфиц ран, Уфа, Россия

3Башкирский Государственный Университет, Уфа, Россия

1Saint Petersburg State University, Saint Petersburg, Russia

2Ufa Institute of Biology, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia

3Bashkir State University, Ufa, Russia

 

E-mail: 1e_abakumov@mail.ru, 2filpip@yandex.ru, 3soils@mail.ru

 

Аннотация. Состояние микробного сообщества является существенным фактором, определяющим процессы почвовосстановления нарушенных почв. Карьерно-отвальные комплексы, являющиеся техногенными ландшафтами, представляют собой ценные площадки для изучения процессов почвообразования. С целью определения состояния микробного сообщества были обследованы посттехногенные почвы 4 разных по характеру карьера (по добычи гипса, песчано-гравийной смеси, песка и глины) Республики Башкортостан. Проведен анализ ампликонных библиотек гена 16s рДНК. Показано, что микробное сообщество различных почвенных горизонтов карьеров существенно различается. По результатам анализа карьерные сообщества демонстрируют различия в микробном составе разных горизонтов, при этом в части случаев более богатым оказывается верхний горизонт.

Ключевые слова: 16s рРНК, карьеры, секвенирование, микробиом.

 

Abstract. The state of microbial community is an essential factor determining the processes of soil restoration of disturbed soils. Quarrying and mining complexes are valuable sites for studying soil formation processes. Four different quarries (gypsum, sand-gravel mixture, sand, and clay) of the Republic of Bashkortostan were surveyed to determine the status of microbial community of post-technogenic soils. Amplicon libraries of 16s rDNA gene were analyzed. It was shown that the microbial community of different soil horizons of quarries differs significantly. According to the results of the analysis, quarry communities demonstrate differences in microbial composition of different horizons, while in some cases the upper horizon is richer.

Keywords: 16s rDNA, quarries, sequencing, microbiome.

 

Одной из глобальных проблем, касающихся экологии и почвоведения, является процесс деградации земельных ресурсов. Увеличение антропогенных и техногенных воздействий на почвенно-растительный покров приводят к его истощению и/или уничтожению. Это влечет за собой вывод из оборота ценных сельскохозяйственных земель и деградацию природных ландшафтов, процессы восстановления и рекультивации которых, как известно, протекают крайне медленно [7]. Также отмечается трансформация естественного функционирования ландшафта, что приводит к кардинальному изменению предоставления им экосистемных услуг – снижение потенциала естественного почвообразования, повышение опасности развития эрозии, деградация среды обитания и резкая утрата биоразнообразия [3, 8].

Карьерно-отвальные комплексы, являющиеся техногенными ландшафтами, представляют собой ценные площадки для исследования процессов почвообразования. Почвенный микробиом является главным фактором в процессах образования, поэтому его изучения остается актуальной задачей. Одним из основных методов исследования микробимов остается метод высокопроизводительного секвенирования с помощью которого возможно всесторонне и точно описать микробный состав. Анализ микробного состава таких почв свидетельствует о темпах восстановления и характере протекающих в них процессов, что позволяют в дальнейшем создать базу для последующих мер по рекультивации земель и использования их в сельскохозяйственных мероприятиях. Целью данного исследования является изучение состояния микробного сообщества в посттехногенных почв Республики Башкортостан разных по характеру добычи карьеров (гипс, песчано-гравийная смесь, песок, глина), методом ампликонных библиотек гена 16s рДНК.

Республика Башкортостан географически сложная территория, расположенная в южной части Уральских гор в пределах трех физико-географических единиц – восточная часть Восточно-Европейской равнины, горный Южный Урал и возвышенно-равнинное Зауралье, что объясняет большое разнообразие геоморфологических и климатических условий, почвообразующих пород и типов растительность [1].

Цель работы заключалась в изучении состояния микробного сообщества посттехногенных почв республики. Были обследованы 4 разных по характеру карьера: по добычи гипса, песчано-гравийной смеси, песка и глины (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Расположение объектов исследования. № 1 – карьер по добычи гипса, № 2 – песчано-гравийной смеси, № 3 – песка, № 4 – глины.

 

Характеристики исследуемых почвенных разрезов и горизонтов представлены в таблице 1. ДНК выделялась из 0,5 г почвенных образцов, с использованием набора для выделения ДНК MN NucleoSpin Soil Kit (MN, Germany), согласно протоколу производителя. Механическое разрушение образца производили на гомогенизаторе FastPrep. Очищенный препарат ДНК использовали в качестве матрицы в реакции ПЦР с универсальными праймерами к вариабельному участку V4 гена 16S рРНК F515 (GTGCCAGCMGCCGCGGTAA) и R806 (GGACTACVSGGGTATCTAAT) [4].

 

Таблица 1. Характеристики почвенных разрезов и горизонтов

Глубина, см

pH H2O

Corg,

г кг–1 почвы

N общ,

г кг–1 почвы

Описание почвенного горизонта

Описание почвенного разреза

Карьер № 1. Почвенный разрез 1

1W

0-2

7,6±0,1

9,6±0,3

27±1,6

Серо-бурый, среднесуглинистый, рыхлый, элювий

Инициальная дерново-карбонатная почва на днище карьера. Растительность сильно разреженная.

1C

2-8

7,8±0,2

2,1±0,2

13±1,2

Элювий гипса

Почвенный разрез 2

2AI

0-17

7,5±0,1

12,4±0,4

32±2,3

Tемно-серая мелкокомковатая

Заложен в той же локации, но представлен более развитой почвой. Самозарастание. Почва представлена агросульфорендзиной.

2C

18-22

7,7±0,1

4,4±0,2

16±4,0

Бурый, суглинистый элювий гипса.

Карьер № 2. Почвенный разрез 3

3AU

0-23

7,4±0,2

102,4±7,8

150±12,3

Темный, среднесуглинистый, плотный.

Почва фоновая дерново-карбонатная лесостепная (Разнотравно-дерновиннозлаковое пастбище).

3CI

23-40

7,6±0,1

23,6±1,7

52±4,2

Бурый с кутанами.

Почвенный разрез 4

4АС

0-2

7,7±0,2

5,1±0,2

15±3,8

Песчано-гравийная смесь.

Литострат без признаков почвообразования. Дно карьера. Самозарастание.

Карьер № 3

Почвенный разрез 5

5W

0-2

5,8±0,2

10,3±0,6

31±2,2

Серобурый, рыхлый, супесь.

Почвенный покров представлен песчаной аллювиальной почвой.

Карьер № 4. Почвенный разрез 6

6AC

0-2

6,5±0,1

42,4±3,5

70±6,0

Грунт без рекультивации.

Почвенный разрез 7

7AC

0-2

6,4±0,1

36,8±3,3

65±5,4

Грунт после рекультивации из бурта.

Почвенный разрез 8

0-2

6,7±0,2

73,5±5,9

125±10,3

Бурт, используемый для рекультивации.

 

Подготовку проб и секвенирование проводили на приборе Illumina MiSEQ (Illumina, USA) согласно рекомендациям производителя. Фильтрация качества последовательностей производился в программе Trimmomatic [5], прямые и обратные прочтения объединялись при помощи fastq-join [2]. Для поиска и фильтрации химерных последовательностей использовался vsearch [9]. Определение ОТЕ производилось при помощи пакетов QIIME [6] по методу Closed Reference, с использованием базы SILVA [10]. ОТЕ, аттрибутированные как хлоропластные/митохондриальные удалялись. Анализ альфа-и бета-разнообразия, производился также при помощи пакета QIIME.

В результате таксономического анализа микробиомов карьерных комплексов выявлено, что во всех образцах доминантами являются Proteobacteria и Actinobacteria (рисунок 2). Что согласуется с рядом других исследований: данные бактерии становятся доминирующими в почвах нарушенных местообитаний [4]. Присутствие доли бактерий Bacteroidetes, Verrucomicrobia, Planctomycetes указывают на полноту углеродного цикла и стабилизацию состава микробного сообщества в карьерах.

 

Рисунок 2. Таксономический состав сообществ.

 

В результате исследований выявлено, что не все исследуемые карьерные почвы являются бедными почвами. Нарушенные  микробные сообщества карьеров по результатам ряда работ отличаются сравнительно бедным таксономическим составом и небольшими значениями индексов разнообразия. В нашем случае результаты исследования некоторых карьеров согласуются с этим утверждением (разрезы 1 и 2 – карьер № 1 по добычи гипса), однако продемонстрированы и существенные отличия – в частности, данные, полученные для разрезов 4AC (карьер № 2 по добычи песчано-гравийной смеси) и 5W (карьер № 3 по добычи песка), показывают наличие богатых почвенных популяций. В случае разреза 5W это может быть также связано с залеганием почв на месте бывшего русла реки.

Отмечается существенное различие микробного сообщества различных почвенных горизонтов карьеров. В нашем эксперименте показано существенная разница между микробными сообществами отдельных почвенных горизонтов. Если для разреза 2 разница в индексах разнообразия и таксономическом составе сообществ незначительна, то разрезы 1 и 3 демонстрируют кардинально отличающийся состав микроорганизмов, что, возможно, связано с функциональной нагрузкой сообщества.

 

Работа выполнена при поддержке РНФ 17-16-01030 Динамика почвенной биоты в хроносериях посттехногенных ландшафтов: анализ почвенно-экологической эффективности процессов восстановления экосистем.

 

Список литературы

1. Физико-географическое районирование Башкирской АССР / Под ред. И.П. Кадильникова. Уфа, 1964. 210 с.

2. Aronesty E. Comparison of Sequencing Utility Programs. The Open Bioinformatics Journal. 2013. 7: 1-8. doi: 10.2174/1875036201307010001.

3. Baude M., Meyer B.C, Schindewolf M. Land use change in an agricultural landscape causing degradation of soil based ecosystem services // Science of The Total Environment. 2019. No. 659. P. 1526-1536. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.455.

4. Bergmann G.T, Bates S.T, Eilers K.G et al. The under-recognized dominance of Verrucomicrobia in soil bacterial communities // Soil Biology and Biochemistry. 2011. No. 43(7) P. 1450-1455. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.03.012.

5. Bolger A.M, Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. No. 30(15). P. 2114-2120. doi: 10.1093/bioinformatics/btu170.

6. Caporaso J.G, Kuczynski J., Stombaugh J. et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data // Nature Methods. 2010. No. 7(5) P. 335-336. doi: 10.1038/nmeth.f.303.

7. Pacheco F.A.L., Sanches Fernandes L.F, Valle Junior R.F, Valera C.A, Pissarra T.C.T. Land degradation: Multiple environmental consequences and routes to neutrality // Current Opinion in Environmental Science & Health. 2018. No. 5. P. 79-86. doi: 10.1016/j.coesh.2018.07.002.

8. Pena S.B, Abreu M.M, Magalhães M.R, Cortez N. Water erosion aspects of land degradation neutrality to landscape planning tools at national scale // Geoderma. 2020. No. 363. 114093. doi: 10.1016/j.geoderma.2019.114093.

9. Rognes T., Flouri T., Nichols B., Quince C., Mahé F. VSEARCH: a versatile open source tool for metagenomics // PeerJ. 2016. No. 4. e2584. doi: 10.7717/peerj.2584.

10. Yilmaz P., Parfrey L.W., Yarza P., Gerken J., Pruesse E., Quast C., Schweer T., Peplies J., Ludwig W., Glöckner F.O. The SILVA and “All-species Living Tree Project (LTP)” taxonomic frameworks // Nucleic Acids Research. 2014. No. 42(Database issue). D643-D648. doi: 10.1093/nar/gkt1209.