Microbial communities of bottom sediments of Alas Lakes of Central Yakutia as indicators of agricultural load

Full Text

На территории Центральной Якутии расположено большое количество озер различного происхождения, среди которых наиболее широко распространены термокарстовые. Термокарстовые котловины, или аласы, – это уникальные ландшафты криолитозоны, которые характеризуются сложной пространственной структурой и динамикой развития (Десяткин, 2021). В аласной котловине центральную часть, как правило, занимает озеро, а на склонах можно выделить несколько поясов прибрежно-водной и луговой растительности. Такая структура обусловливает высокую хозяйственную значимость аласов (Desyatkin, Desyatkin, 2023). Озера являются источником пресной воды для хозяйственных и питьевых нужд, в то время как луга составляют значительную часть сенокосных и пастбищных угодий республики. Местное население активно занимается животноводством, в первую очередь, выращиванием крупного рогатого скота и лошадей. Центральная Якутия является наиболее обжитой и заселенной частью Республики, поэтому хозяйственная деятельность приводит к высокой антропогенной нагрузке на аласные экосистемы этого региона (Босиков, 1991), в частности, к привносу значительного количества органического вещества и биогенов в озера.

Аласы занимают порядка 4.4 тыс. км², или 20–30% территории Центральной Якутии (Босиков, 1991), и являются климатически значимыми экосистемами вследствие высоких скоростей эмиссии парниковых газов с их территорий (Desyatkin et al., 2014; Hughes-Allen et al., 2021). Документально зафиксированные климатические изменения (Кириллина, 2013; Горохов, Федоров, 2018), а также антропогенная нагрузка оказывают значимое влияние на ландшафт и гидрологию Центральной Якутии, приводя к постепенному увеличению суммарной площади озер, что должно повлиять на региональный цикл углерода через вероятное усиление эмиссии парниковых газов (Hughes-Allen et al., 2023). Высвобождение парниковых газов при этом может происходить как из тающих газонасыщенных многолетнемерзлых пород (Чербунина и соавт., 2017), так и в результате активности микробных сообществ, осуществляющих разложение захороненного и современного органического вещества (Kallistova et al., 2019). Таким образом, можно заключить, что на трансформацию органического вещества микробными сообществами аласных озер Центральной Якутии влияет комплекс климатических и антропогенных факторов. В настоящее время нет ясности, какие из факторов более значимы.

Функциональный потенциал микробных сообществ в общих чертах может быть оценен по их филогенетическому составу. Поэтому целью данной работы стала первичная оценка влияния антропогенной нагрузки на разнообразие микробных сообществ донных осадков трех аласных озер (Тюнгюлю, Табы и Харыялах).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. Озера Тюнгюлю (62.202739N; 130.655056Е) и Табы (62.132187N; 130.268169E) расположены на правобережье Лены (рис. 1) на территории Мегино-Кангаласского улуса (района) – самого маленького по площади, но при этом одного из наиболее населенных сельскохозяйственных улусов республики.

 

Рис. 1. Географическое положение (а), спутниковые снимки (б‒г) и общий вид (д‒ж) озер Харыялах (б, д), Табы (в, е) и Тюнгюлю (г, ж). Белые стрелки указывают на точки отбора образцов.

 

Таблица. Краткая характеристика образцов донных осадков, собранных в трех исследованных аласных озерах Центральной Якутии

Озеро	Горизонт	Описание горизонтов	CH4, мкМ	Индексы альфа-разнообразия микробных сообществ
				Chao1	Simpson	Shannon_e
Табы	0‒2 см	Обводненный серо-коричневый наилок	490.1	885.60	0.04	4.95
	2‒10 см	Темный серо-коричневый мягкий, песчанистый, с газовыми пузырями и растительными остатками	32.6	916.40	0.02	5.26
	10‒17 см	Темный серо-коричневый более плотный, песчанистый, с газовыми пузырями, много растительных остатков	233.0	853.50	0.02	5.06
Тюнгюлю	0‒3 см	Обводненный серо-коричневый наилок	5.6	757.70	0.05	4.46
	3‒8 см	Серый однородный плотный, с газовыми кавернами	100.7	661.20	0.03	4.69
	8‒15 см	Серый однородный более плотный с газовыми кавернами	95.1	554.70	0.05	4.39
Харыялах	0‒5 см	Рыжий рыхлый, состоит из разлагающихся растительных остатков	105.2	1414.10	0.01	6.11

 

Здесь развито животноводство (мясо-молочное скотоводство, мясное табунное коневодство), а также выращивают зерновые, картофель, овощи и кормовые культуры. Исследуемые озера расположены на территории двух сельских поселений – Тюнгюлюнского и Жанхадинского наслегов. По итогам Всероссийской переписи населения в 2020 г. численность постоянно проживающего населения в них составила 2137 и 1209 человек соответственно (Итоги ВПН, 2020). Озеро Тюнгюлю находится непосредственно в черте большого села Тюнгюлю, а на берегу лесного озера Табы производится выпас скота. Озера имеют небольшую площадь водной поверхности (0.24 и 0.31 км²). Озеро Харыялах (62.10725N; 128.37102E) расположено на левобережье Лены (рис. 1) рядом с одноименным селом в Горном улусе на особо охраняемой природной территории (ООПТ) ресурсного резервата республиканского значения “Харыйалахский”. По итогам Всероссийской переписи населения в 2020 г. в селе Харыялах постоянно проживало 9 человек (Итоги ВПН, 2020). Площадь водной поверхности озера составляет 0.92 км². Таким образом, расположение исследованных озер указывает на неодинаковую степень антропогенной нагрузки, которую они испытывают, а разница в размерах – на разную способность микробных сообществ отвечать на эту нагрузку.

Физико-химические параметры исследованных озер были подробно описаны ранее (Самылина и соавт., 2024). Табы и Тюнгюлю являются мезощелочными (pH 9.07 и 9.68 соответственно) мезогалинными (минерализация 1.72 и 3.15 г/л) озерами натриево-хлоридного типа. Харыялах является олигощелочным (pH 8.63) умереннопресным (минерализация 0.38 г/л) озером гидрокарбонатно-кальциевого типа. По концентрации фосфора все водоемы являются гипертрофными; по содержанию минерального азота оз. Тюнгюлю и Табы относятся к гипертрофным, а оз. Харыялах – к β-евтрофным водоемам.

Отбор образцов. Образцы донных осадков были отобраны в середине июля 2023 года одновременно с образцами воды, анализ которых был опубликован ранее (Самылина и соавт., 2024). Краткая характеристика отобранных образцов приведена в таблице. Содержание метана определяли методом фазово-равновесной дегазации (McAuliffe, 1971).

Анализ филогенетического разнообразия прокариот в образцах. Выделение ДНК, амплификацию, секвенирование, анализ фрагментов гена 16S рРНК, кластеризацию последовательностей в оперативные таксономические единицы (ОТЕ), удаление химерных последовательностей проводили по методикам, аналогичным работе с водой (Самылина и соавт., 2024). Таксономическую идентификацию ОТЕ проводили по базам данных Silva v.138.2, но названия таксонов высокого ранга корректировали согласно актуальным на октябрь 2024 года наименованиям. В частности, для домена Archaea произведены следующие переименования филумов: Euryarchaeota → Methanobacteriota, Nanoarchaeota → Nanobdellota (Göker, Oren, 2023), Halobacterota → Halobacteriota (Oren, Göker, 2024). Принадлежность таксонов более низкого ранга к филумам приведена согласно публикациям с валидным описанием филумов. Последовательности, отнесенные по базам данных Silva v.138.2 к порядку Woesearchaeales филума Nanoarchaeota, при анализе данных были оставлены в составе филума Nanobdellota из-за невозможности корректного определения принадлежности большей части последовательностей, а также невалидного статуса филума “Candidatus Woesearchaeota” (Oren, Göker, 2023). В домене Bacteria произведено отделение порядка Acholeplasmatales от класса Bacilli филума Bacillota и отнесение его к классу Mollicutes филума Mycoplasmatota в соответствии с LPSN. Нуклеотидные последовательности фрагментов генов 16S рРНК, полученные в этой работе, депонированы в базу данных Sequence Read Archive NCBI в BioProject PRJNA1027611.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Диаграмма Венна для объединенных массивов данных (ОТЕ всех горизонтов объединяли в общий массив для каждого озера) выявила существенные различия в составе микроорганизмов донных осадков трех озер – только 2.5% ОТЕ были общими (рис. 2).

 

Рис. 2. Количество общих и уникальных ОТЕ в сообществах донных осадков трех аласных озер Центральной Якутии (диаграмма Венна). При построении диаграммы были объединены массивы данных всех горизонтов донных осадков для каждого озера; сравнивались объединенные массивы.

 

При этом микробные сообщества как донных осадков, так и водной толщи (Самылина и соавт., 2024) из озер Табы и Тюнгюлю, близких по гидрохимическим параметрам и антропогенной нагрузке, имели больше сходства между собой, нежели с сообществами озера Харыялах, отличного по гидрохимии и антропогенной нагрузке. Индексы альфа-разнообразия (Chao1, Snannon_e, Simpson) указывают на высокое микробное разнообразие во всех образцах без явно выраженных доминант (таблица). При этом наибольшее разнообразие продемонстрировал образец из оз. Харыялах, тогда как образцы из оз. Тюнгюлю и Табы показали сравнительно меньшие богатство и выравненность.

Анализ разнообразия фрагментов гена 16S рРНК показал, что, хотя в микробных сообществах всех горизонтов донных осадков доминировали бактерии, доля архей была также высокой и составляла от 5.5 до 17.4% (рис. 3).

 

Рис. 3. Разнообразие микробных сообществ донных осадков трех аласных озер Центральной Якутии на уровне филумов. Представлены филумы, относительная численность которых превышала 0.5%. Филумы с относительной численностью ниже 0.5% объединены в “другие Archaea” и “другие Bacteria”.

 

В осадках озера Табы среди архей преобладали представители филума Nanobdellota (до 10.6%), а среди бактерий – представители филумов Mycoplasmatota (до 29.5%), Bacteroidota (до 17.9%), “Candidatus Patescibacteria” (до 17.3%), Pseudomonadota (до 15.9%) и Acidobacteriota (до 7.6%). В осадках озера Тюнгюлю среди архей преобладали Thermoplasmatota (до 6.2%) и Nanobdellota (до 5.3%), среди бактерий – филумы Mycoplasmatota (до 35.6%), Bacteroidota (до 29.3%), “Candidatus Patescibacteria” (до 13.5%), Campylobacterota (до 13.1%) и Acidobacteriota (до 7.1%). В образце осадка из озера Харыялах доминировали археи филума Halobacteriota (11.8%) и бактерии филумов Chloroflexota (23.1%), Bacteroidota (17.4%) и Pseudomonadota (15.7%).

В осадках озер Табы и Тюнгюлю в значительном количестве (до 29.5 и до 35.6% соответственно) выявлены последовательности, отнесенные к порядку Acholeplasmatales (класс Mollicutes, филум Mycoplasmatota). Большая часть последовательностей (включая наиболее распространенные ОТЕ) могла быть идентифицирована только до уровня семейства Acholeplasmataceae, и лишь некоторые – до уровня рода Acholeplasma. Представители этого семейства – грамотрицательные факультативно анаэробные хемоорганотрофные бактерии, которые имеют различные экологические свойства и среду обитания. Бактерии рода Acholeplasma обычно присутствуют в биологических жидкостях позвоночных животных, особенно в верхних дыхательных и мочеполовых путях, и считаются преимущественно комменсалами (хотя не исключена и их патогенность). Известны также свободноживущие сапротрофные виды Acholeplasma (Brown et al., 2015). Другие некультивируемые представители семейства являются патогенами растений (“Candidatus Phytoplasma”), передающимися через равнокрылых насекомых, питающихся флоэмой (Martini et al., 2014). Кроме того, в осадках этих озер (Табы, до 11.9%; Тюнгюлю, до 2.6%) выявлены последовательности, относящиеся к семейству Paludibacteraceae (филум Bacteroidota). Представители этого семейства являются типичным и многочисленным компонентом микробиоты желудочно-кишечного тракта теплокровных животных. Характер их взаимодействия с хозяином до конца не ясен: предположительно, они являются типичными бродильщиками-комменсалами, однако наличие множественных потенциальных пептидаз уклонения от иммунного ответа в геномах представителей Paludibacteraceae может указывать на их способность вызывать оппортунистические инфекции (Ormerod et al., 2016). Учитывая антропогенную нагрузку, связанную, в частности, с выпасом скота рядом с озерами Табы и Тюнгюлю, высокая представленность ОТЕ, относящихся к семействам Acholeplasmataceae и Paludibacteraceae, в этих озерах неудивительна. Однако остается неясным, имеют ли эти микроорганизмы негативное воздействие на сельскохозяйственных животных в этой местности.

В микробных сообществах донных осадков присутствуют и другие свидетельства, отражающие сельскохозяйственную нагрузку на эти озера. В образцах из Тюнгюлю выявлена высокая относительная численность ОТЕ, отнесенных к некультивируемому семейству BSV26 филума Bacteroidota (до 20.5%) и семейству Sulfurimonadaceae филума Campylobacterota (до 12.9%). Представители группы BSV26 детектируются в многолетнемерзлых почвах (Liu et al., 2024), но их физиологическая роль остается неясной. Есть свидетельства возможного участия BSV26 в деградации стойких органических загрязнителей, часто встречающихся в сельскохозяйственных почвах, в частности, бензпирена и декабромдифенилового эфира (Zhang et al., 2024). Последовательности ОТЕ семейства Sulfurimonadaceae относились преимущественно к хемолитоавтотрофному роду Sulfurimonas, участвующему в цикле серы и азота (Han, Perner, 2015). В озере Табы выявлена высокая относительная численность представителей семейства Nitrosomonadaceae филума Pseudomonadota (до 8.3%), осуществляющих аэробное окисление аммония (Prosser et al., 2014).

Кроме этого, микробные сообщества озер Табы и Тюнглюлю изобилуют некультивируемыми микроорганизмами с неизвестными функциями, относящимися к бактериям филума Acidobacteriota, суперфилума “Candidatus Patescibacteria” и археям филума Nanobdellota (включая “Candidatus Woesearchaeota”) (рис. 3), которых часто относят к категории “микробной темной материи”. Среди представителей филума Acidobacteriota в обоих озерах преобладали последовательности, отнесенные к филогенетической группе ранга класса “subdivision 7” (Dedysh, Yilmaz, 2018). Относительная численность таких ОТЕ изменялась от 0.1‒0.2% в верхних горизонтах до 6.4% в нижних горизонтах осадков обоих озер, что может говорить об их потенциально высокой функциональной значимости в анаэробных горизонтах. Ранее представителей этой группы детектировали в почвах разных регионов мира (Jones et al., 2009; Navarrete et al., 2013), в том числе в зоне прерывистой многолетней мерзлоты (Liu et al., 2024). Однако до сих пор не известны ни культивируемые представители этой группы, ни предсказания их метаболизма на основании анализа метагеномных данных.

Среди последовательностей, относящихся к суперфилуму “Candidatus Patescibacteria”, в озере Табы преобладали представители “Candidatus Nomuraibacteriota” (до 8.3%), в Тюнгюлю – представители “Candidatus Falkowiibacteriota” (до 5.8%), а также в обоих озерах было выявлено до 5.5% неклассифицированных “Candidatus Patescibacteria”. Представления о предполагаемой физиологии “Candidatus Patescibacteria” основаны преимущественно на анализе метагеномных данных (Brown et al., 2015; Anantharaman et al., 2016; Castelle et al., 2018; Tian et al., 2020). Общей чертой этой группы является небольшой размер генома с ограниченными биосинтетическими и метаболическими возможностями, в связи с чем этим бактериям приписывают эписимбиотический или паразитический образ жизни и бродильный метаболизм. Функциональная активность и экофизиология этих микроорганизмов в in situ условиях напрямую не изучена, что оставляет неясной роль этой группы в экосистемах.

Микробные сообщества донных осадков озера Харыялах существенно отличались от двух других озер. Здесь ключевую роль играли микроорганизмы цикла метана. Общая относительная численность метаногенных архей составила 13.9%, метанотрофных бактерий – 5.1% от всех ОТЕ в сообществе. Для сравнения, в осадках озер Табы и Тюнгюлю общая относительная численность метаногенов не превышала 0.2%, а метанотрофов – 0.3%. Метаногены были представлены филумами Halobacteriota (классы Methanosarcinia и Methanomicrobia), Methanobacteriota (класс Methanobacteria), и Thermoplasmatota (класс Thermoplasmata), а метанотрофы – бактериями филума Pseudomonadota (класс Gammaproteobacteria, порядок Methylococcales, сем. Methylomonadaceae и Methylococcaceae). Причины, по которым в Тюнгюлю и Табы практически отсутствуют классические микроорганизмы цикла метана, остаются неясными. Учитывая, что измеренное нами содержание метана в донных осадках было сопоставимым в озерах Харыялах и Тюнгюлю (101‒105 мкмоль/л) и достигало 490 мкмоль/л в осадках оз. Табы (таблица), полученный результат можно рассматривать как артефактный, требующий дополнительных исследований.

Другие микроорганизмы донных осадков озера Харыялах были представлены в основном разнообразными анаэробными хемоорганотрофными бактериями, среди которых нельзя было выделить явно доминирующие ОТЕ (максимальная относительная численность 1.7%). Среди них были распространены представители семейств Anaerolineaceae (филума Cloroflexota), Clostridiaceae (филум Bacillota), Rhodocyclaceae (филум Pseudomonadota), Williamwhitmaniaceae и Lentimicrobiaceae (филум Bacteroidota). Неожиданным при этом оказалось присутствие в осадке цианобактерий. Как и в случае с микробными сообществами водной толщи (Самылина и соавт., 2024), озеро Харыялах оказалось единственным из трех изученных, где были выявлены ОТЕ филума Cyanobacteriota (3.7%). Но, в отличие от воды, в осадке преобладали нитчатые негетероцистные представители семейств Nodosilineaceae (1.0%) и Pseudanabaenaceae (0.5%).

Таким образом, филогенетический анализ микробных сообществ донных осадков трех аласных озер с разной степенью антропогенной нагрузки выявил существенные различия в их разнообразии. В небольших по площади и активно эксплуатируемых человеком озерах Тюнгюлю и Табы преобладали микроорганизмы, характерные для желудочно-кишечного тракта и биологических жидкостей теплокровных животных, что является следствием развитого животноводства в районе расположения этих озер. Выявленные микроорганизмы, по всей видимости, являются комменсалами, однако нельзя исключить и их патогенность. Подобные микроорганизмы не были выявлены в микробном сообществе ни донных осадков, ни водной толщи (Самылина и соавт., 2024) более крупного и расположенного на ООПТ озера Харыялах. Здесь преобладали микроорганизмы цикла метана и присутствовала первично-продукционная ветвь, указывая на автономность микробных сообществ. Кроме того, в исследованных образцах донных осадков всех трех озер были выявлены разнообразные некультивируемые микроорганизмы, для части которых неизвестны даже предсказания метаболизма, основанные на метагеномных данных.

Полученные нами результаты подчеркивают фундаментальную научную и практическую значимость микробиологического изучения аласных озер Центральной Якутии. Анализ разнообразия микробных сообществ водной толщи (Самылина и соавт., 2024) и донных осадков (данное исследование) озер Тюнгюлю, Табы и Харыялах выявил уникальные черты их экосистем. С одной стороны, разнообразие и высокая представленность некультивируемых микроорганизмов с неясными функциями позволяет рассматривать озера Центральной Якутии как перспективный источник выделения новых микроорганизмов. С другой стороны, понимание структуры и функционирования микробных сообществ озер этого региона способствует выявлению взаимосвязи климатических и антропогенных факторов с динамикой процессов трансформации органического вещества и эмиссии парниковых газов. Наконец, анализ функционального разнообразия микробных сообществ донных осадков может быть использован для практической оценки антропогенной нагрузки на аласные экосистемы, предсказания санитарного состояния озер и возможностей рационального их использования местным населением.

 

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Полевые работы, обработка образцов и анализ молекулярно-биологических данных выполнены сотрудниками ФИЦ Биотехнологии РАН при поддержке проекта РНФ № 22-14-00038 и госзадания ФИЦ Биотехнологии РАН. Работа Габышева В.А. выполнялась в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ по проекту № FWRS-2021-0023, ЕГИСУ НИОКТР №АААА-А21-121012190038-0.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит результатов исследований, в которых в качестве объектов использовались люди или животные.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

O. S. Samylina

Winogradsky Institute of Microbiology, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olga.samylina@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119071

V. A. Gabyshev

Institute for Biological Problems of Cryolithozone, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: olga.samylina@gmail.com
Russian Federation, Yakutsk 677980

A. I. Kosyakova

Winogradsky Institute of Microbiology, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences

Email: olga.samylina@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119071

V. V. Kadnikov

Skryabin Institute of Bioengineering, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences

Email: olga.samylina@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119071

A. V. Beletsky

Skryabin Institute of Bioengineering, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences

Email: olga.samylina@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119071

N. V. Pimenov

Winogradsky Institute of Microbiology, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences

Email: olga.samylina@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119071

References

Supplementary files