Microbiome of Soils and Supraglacial Objects in Background and Oil Polluted Ecosystems Hayes Island (Franz Joseph Land Archipelago)
- Авторлар: Nikitin D.1,2, Manucharova N.3, Dobryansky A.2
-
Мекемелер:
- Dokuchaev Soil Science Institute
- Lomonosov Moscow State University
- Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences
- Шығарылым: № 2 (2024)
- Беттер: 257-274
- Бөлім: БИОЛОГИЯ ПОЧВ
- URL: https://journals.rcsi.science/0032-180X/article/view/261906
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X24020056
- EDN: https://elibrary.ru/XYLOXZ
- ID: 261906
Дәйексөз келтіру
Аннотация
Using luminescent microscopy and real-time PCR, the microbiome of soils and supraglacial objects in the background and oil-contaminated ecosystems of the island was studied Hayes Island, part of the Franz Josef Land archipelago. Biomass of microorganisms ranged from 81 to 666 µg/g of substrate; most of it (up to 88%) is represented by fungi. Length of fungal mycelium reached more than 360 m/g of substrate. The number of prokaryotes varied from 4.0 × 107 to 3.75 × 10⁹ cells/g of substrate; the length of actinomycete hyphae reached 40 m/g of substrate. Up to 78% of the detected prokaryotic cells are represented by small nanoforms, which is typical for extreme ecosystems. Share of viable cells of microorganisms is maximum (74–86%) for surface organogenic horizons and minimum (29–54%) for mineral suprapermafrost layers. Prokaryotic complex was dominated by bacteria (from 5.14×105 to 5.05 × 10¹⁰ 16S rRNA copies/g of soil), but not by archaea, from 8.46 × 10⁵ to 2.28 × 10⁹ 16S rRNA copies/g of substrate. Amount of FJL fungal genetic material ranged from 6.47 × 10⁴ to 8.67 × 10¹⁰ ITS rRNA copies/g soil. Number of copies of the alkB gene (synthesis of alkane monooxygenase for the destruction of hydrocarbon n-alkanes) varied from 1.2 × 10¹ to 1.8 × 10⁵/g of substrate and sharply decreased from the surface horizons to the deep ones. Oil-contaminated soils and supraglacial objects contained a smaller biomass, however, a greater number of ribosomal genes of microorganisms compared to the background ecosystems. An exponential decrease in the analyzed quantitative parameters of microorganisms from surface to deep soil horizons was registered.
Толық мәтін
Авторлар туралы
D. Nikitin
Dokuchaev Soil Science Institute; Lomonosov Moscow State University
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: dimnik90@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8533-6536
Ресей, Moscow, 119017; Moscow, 119991
N. Manucharova
Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences
Email: dimnik90@mail.ru
Ресей, Moscow, 119017
A. Dobryansky
Lomonosov Moscow State University
Email: dimnik90@mail.ru
Ресей, Moscow, 119991
Әдебиет тізімі
- Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Добрянский А.С., Кривошеев Н.В., Крюков Д.Р., Резников А.Е. Георадарное исследование загрязнения грунта на архипелаге Земля Франца-Иосифа // Инженерный вестник Дона. 2020. № 7(67). С. 15–21.
- Горячкин С.В., Мергелов Н.С., Таргульян В.О. Генезис и география почв экстремальных условий: элементы теории и методические подходы // Почвоведение. 2019. № 1. С. 5–19.
- Горячкин С.В. География экстремальных почв и почвоподобных систем // Вестник РАН. 2022. № 92(6). C. 564–571.
- Дженюк С.Л. Климатообразующие факторы и климатические особенности Земли Франца-Иосифа // Тр. Кольского научного центра РАН. 2014. № 4(23). С. 61–69.
- Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю., Головченко А.В., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Манучарова Н.А, Марфенина О.Е., Полянская Л.М., Степанов А.Л., Умаров М.М. Роль микроорганизмов в экологических функциях почв // Почвоведение. 2015. № 9. C. 1087–1096. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090038
- Зазовская Э.П., Мергелов Н.С., Шишков В.А., Долгих А.В., Добрянский А.С., Лебедева М.П., Турчинская С.М., Горячкин С.В. Криокониты как факторы развития почв в условиях быстрого отступания ледника Альдегонда, Западный Шпицберген // Почвоведение. 2022. № 3. С. 281–295. https://doi.org/10.31857/S0032180X22030157
- Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. С. 60.
- Крюков Д.Р., Кирилов А.Г. Результаты геоэкологического обследования и мониторинг нефтезагрязненных участков на островах Земли Франца-Иосифа // Актуальные проблемы экологии и природопользования. 2019. С. 71–75.
- Лысак Л.В., Максимова И.А., Никитин Д.А., Иванова А.Е., Кудинова А.Г., Соина В.С., Марфенина О.Е. Микробные сообщества почв Восточной Антарктиды // Вестник Московского университета. Сер.16, биология. 2018. № 73(3). С. 132–140.
- Манучарова Н.А., Коваленко М.А., Алексеева М.Г., Бабенко А.Д., Степанов А.Л. Биотехнологический потенциал прокариотного компонента современных, реликтовых почв и грунтов Антарктиды // Почвоведение. 2016. № 5. С. 550–566.
- Манучарова Н.А., Трошева Е.В., Кольцова Е.М., Демкина Е.В., Караевская Е.В., Ривкина Е.М., Марданов А.В., Эль-Регистан Г.И. Характеристика структуры прокариотного комплекса многолетнемерзлых грунтов Антарктиды на основании данных молекулярно-биологических методов // Микробиология. 2016. Т. 85. № 1. С. 83–91.
- Марфенина О.Е., Никитин Д.А., Иванова А.Е. Структура грибной биомассы и разнообразие культивируемых микромицетов в почвах Антарктиды (станции Прогресс и Русская) // Почвоведение. 2016. № 8. С. 991–999. https://doi.org/10.7868/S0032180X16080074
- Никитин Д.А., Лысак Л.В., Мергелов Н.С., Долгих А.В., Зазовская Э.П., Горячкин С.В. Микробная биомасса, запасы углерода и эмиссия CO₂ в почвах Земли Франца-Иосифа: высокоарктические тундры или полярные пустыни? // Почвоведение. 2020. № 4. С. 1–19. https://doi.org/10.31857/S0032180X20040115
- Никитин Д.А., Лысак Л.В., Бадмадашиев Д.В., Холод С.С., Мергелов Н.С., Долгих А.В., Горячкин С.В. Биологическая активность почв в условиях покровного оледенения в северной части архипелага Новая Земля // Почвоведение. 2021. № 10. С. 1207–1230. https://doi.org/10.31857/S0032180X21100087
- Никитин Д.А., Лысак Л.В., Бадмадашиев Д.В. Молекулярно-биологическая характеристика почвенного микробиома северной части архипелага Новая Земля // Почвоведение. 2022. № 8. С. 1035–1045. https://doi.org/10.31857/S0032180X22080135
- Никитин Д.А., Марфенина О.Е., Кудинова А.Г., Лысак Л.В., Мергелов Н.С., Долгих А.В., Лупачев А.В. Микробная биомасса и биологическая активность почв и почвоподобных тел береговых оазисов Антарктиды // Почвоведение. 2017b. № 9. С. 1122–1133.https://doi.org/ 10.7868/S0032180X17070073
- Никитин Д.А., Семенов М.В. Характеристика микобиоты почв Земли Франца-Иосифа методами микробиологического посева и ПЦР в реальном времени // Микробиология. 2022. № 91 (1), C. 62–74. https://doi.org/10.31857/S0026365622010098
- Никитин Д.А., Семенов М.В., Тхакахова А.К., Железова А.Д., Бгажба Н.А., Кутовая О.В. Численность копий рибосомальных генов микобиоты в почвах и почвоподобных телах Земли Франца-Иосифа и Новой Земли // Комплексная научно-образовательная экспедиция. Арктический Плавучий Университет-2017. 2017a. С. 35–39.
- Никитин Д.А., Семенов М.В., Семиколенных А.А., Максимова И.А., Качалкин А.В., Иванова А.Е. Биомасса грибов и видовое разнообразие культивируемой микобиоты почв и субстратов о. Нортбрук (Земля Франца-Иосифа) // Микология и фитопатология. 2019. № 53(4). С. 210–222. https://doi.org/10.1134/S002636481904010X
- Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатели экологического состояния почв // Почвоведение. 2005. № 6. С. 706–714.
- Полянская Л.М., Суханова Н.И., Чакмазян К.В., Звягинцев Д.Г. Особенности изменения структуры микробной биомассы почв в условиях залежи // Почвоведение. 2012. № 7. С. 792–798.
- Семенков И.Н. Физико-географическая характеристика архипелага Новая Земля (литературный обзор). 2020. C. 1–40. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.15583.20642
- Хабибуллина Ф.М., Кузнецова Е.Г., Васенева И.З. Микромицеты подзолистых и болотно-подзолистых почв в подзоне средней тайги на северо-востоке европейской части России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1228–1228. https://doi.org/10.7868/S0032180X14100049
- Шипилов Э.В., Карякин Ю.В. Дайки острова Хейса (архипелаг Земля Франца-Иосифа): тектоническая позиция и геодинамическая интерпретация // Доклады РАН. 2014. Т. 457. № 3. С. 327–331. https://doi.org/10.7868/S0869565214210233
- Abakumov E., Tembotov R., Polyakov V., Ivanov M., Mavlyudov B., Kushnov I., Nizamutdinov T., Yaneva R., Zhiyanski M. Concentration of Trace Elements in Cryoconites of Mountain and Polar Regions of the World // Geosciences. 2023. V. 13. P. 188. https://doi.org/10.3390/geosciences13060188
- Baldrian P. The known and the unknown in soil microbial ecology // FEMS microbiologyecology. 2019. V. 95(2). P. fiz005. https://doi.org/10.1093/femsec/fiz005
- Botha A. Yeasts in soil // Biodiversity and ecophysiology of yeasts. Berlin: Springer, 2006. P. 221–240. https://doi.org/10.1007/3–540–30985–3_11
- Box J.E., Colgan W.T., Christensen T.R., Schmidt N.M., Lund M., Parmentier F.J.W., Brown R., Bhatt U.S., et al. Key indicators of Arctic climate change: 1971–2017 // Environ. Research Lett. 2019. V. 14(4). P. 045010. https://doi.org/10.1088/1748–9326/aafc1b
- Carini P., Marsden P.J., Leff J.W., Morgan E.E., Strickland M.S., Fierer N. Relic DNA is abundant in soil and obscures estimates of soil microbial diversity // Nature Microbiology. 2016. V. 2(3). P. 1–6. https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.242
- Ceci A., Pinzari F., Russo F., Persiani A.M., Gadd G.M. 2019. Roles of saprotrophic fungi in biodegradation or transformation of organic and inorganic pollutants in co-contaminated sites // Appl. Microbiol. Biotechnol. V. 103. P. 53–68. https://doi.org/10.1007/s00253–018–9451–1
- Chernov T.I., Zhelezova A.D., Kutovaya O.V., Makeev A.O., Tkhakakhova A.K., Bgazhba N.A., Kurbanova F.G., Rusakov A.V., Puzanova T.A., Khokhlova O.S. Comparative analysis of the structure of buried and surface soils by analysis of microbial DNA // Microbiology. 2018. V. 87(6). P. 833–841. https://doi.org/10.1134/S0026261718060073
- Edwards A., Rassner A.M. Anesio, Hegarty M., Hodson A.J., Irvine-Fynn T.D.L., Rassner S.M.E., Sattler B. Contrasts between the cryoconite and ice-marginal bacterial communities of Svalbard glaciers // Polar Research. 2013. V. 32. P. 19468. https://doi.org/10.3402/polar.v32i0.19468
- Hanssen-Bauer I., Førland E.J., Hisdal H., Mayer S., Sandø A.B., Sorteberg A. Climate in Svalbard 2100 // A knowledge base for climate adaptation. 2019. V. 1. P. 7–112.
- Garrett R.A., Klenk H.P. Archaea: evolution, physiology, and molecular biology. John Wiley & Sons, 2008. 377 p.
- Gaspar M.L., Cabello M.N., Pollero R., Aon M.A. Fluorescein Diacetate Hydrolysis as a Measure of Fungal Biomass in Soil // Current Microbiol. 2001. V.42(5). P. 339–344. https://doi.org/10.1007/s002840010226
- Glöckner F.O., Yilmaz P., Quast C., Gerken J., Beccati A., Ciuprina A., Brunsa G., Yarzac P., Pepliesc J., Westram R., Ludwig W. 25 years of serving the community with ribosomal RNA gene reference databases and tools // J. Biotechnology. 2017. V. 261. P. 169–176. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2017.06.1198
- Jacoby R., Peukert M., Succurro A., Koprivova A., Kopriva S. The role of soil microorganisms in plant mineral nutrition – current knowledge and future directions // Frontiers Plant Sci. 2017. V. 8. P. 1617. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01617
- Kaczmarek Ł., Jakubowska N., Celewicz-Gołdyn S., Zawierucha K. The microorganisms of cryoconite holes (algae, Archaea, bacteria, cyanobacteria, fungi, and Protista): a review // Polar Record. 2016. V. 52(2). P. 176–203. https://doi.org/10.1017/S0032247415000637
- Kim H.M., Jung J.Y., Yergeau E., Hwang C.Y., Hinzman L., Nam S., Hong S.G., Kim O., Chun J., Lee Y.K. Bacterial community structure and soil properties of a subarctic tundra soil in Council, Alaska // FEMS Microbiol. Ecol. 2014. V. 89(2). P. 465–475. https://doi.org/10.1111/1574–6941.12362
- Kutuzov S., Shahgedanova M., Krupskaya V., Goryachkin S. Optical, geochemical and mineralogical characteristics of light-absorbing impurities deposited on Djankuat Glacier in the Caucasus mountains // Water. 2021. V. 13(21). P. 2993. https://doi.org/10.3390/w13212993
- Lopes M.A., Fischman O., Gambale W., Correa B. Fluorescent method for studying the morphogenesis and viability of dermatophyte cells // Mycopathologia. 2002. V. 156(2). P. 61–66. https://doi.org/10.1023/A:1022972222194
- Makhalanyane T.P., Valverde A., Velázquez D., Gunnigle E., Van Goethem M.W., Quesada A., Cowan D.A. Ecology and biogeochemistry of cyanobacteria in soils, permafrost, aquatic and cryptic polar habitats // Biodiversity and Conservation. 2015. V. 24(4). P. 819–840. https://doi.org/10.1007/s10531–015–0902-z
- Malard L.A., Pearce D.A. Microbial diversity and biogeography in Arctic soils // Environ. Microbiol. Rep. 2018. V. 10(6). P. 611–625. https://doi.org/10.1111/1758–2229.12680
- Manucharova N.A., Pozdnyakov L.A., Vlasova A.P., Yanovich A.S., Ksenofontova N.A., Kovalenko M.A., Stepanov P.Y., Gennadiev A.N., Golovchenko A.V., Stepanov A.L. Metabolically active prokaryotic complex in grassland and forests’ sod-podzol under polycyclic aromatic hydrocarbon influence // Forests. 2021. V. 12(8). P. 1103–1117. https://doi.org/10.3390/f12081103
- Mapelli F., Marasco R., Fusi M., Scaglia B., Tsiamis G., Rolli E., Fodelianakis S. et al. The stage of soil development modulates rhizosphere effect along a High Arctic desert chronosequence // The ISME J. 2018. V. 12(5). P. 1188–1198. https://doi.org/10.1038/s41396–017–0026–4
- Porter C., Morin P., Howat I., Noh M.J., Bates B., Peterman K. et al. Data from: ArcticDEM. Version 3. Harvard Dataverse. V1. 2018. https://doi.org/10.7910/DVN/OHHUKH
- Pittino F., Buda J., Ambrosini R., Parolini M., Crosta A., Zawierucha K., Franzetti A. Impact of anthropogenic contamination on glacier surface biota // Current Opinion in Biotechnology. 2023. V. 80. P. 102900.https://doi.org/10.1016/j.copbio.2023.102900
- Schmidt N., Bölter M. Fungal and bacterial biomass in tundra soils along an arctic transect from Taimyr Peninsula, central Siberia // Polar Biology. 2002. V. 25(12). P. 871–877. https://doi.org/10.1007/s00300-002-0422-7
- Singh P., Singh S.M. Characterisation of yeasts and filamentous fungi isolated from cryoconite holes of Svalbard, Arctic // Polar Biology. 2012. V. 35. P. 575–583. https://doi.org/10.1007/s00300–011–1103–1
- Smith S.E. Read D. Mycorrhizal Symbiosis. Academic Press, 2010. P. 1–796.
- Stibal M., Tranter M. Laboratory investigations of inorganic carbon uptake by cryoconite debris from Werenskioldbreen, Svalbard // J. Geophys. Research. 2007. V. 112(G4). P. G04S33.
- Tripathi B.M., Kim H.M., Jung J.Y., Nam S., Ju H.T., Kim M., Lee Y.K. Distinct taxonomic and functional profiles of the microbiome associated with different soil horizons of a moist tussock tundra in Alaska // Frontiers in Microbiology. 2019. V. 10. P. 1442. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01442
- Vincent W.F. Arctic climate change: Local impacts, global consequences, and policy implications // The Palgrave Handbook of Arctic Policy and Politics. 2020. P. 507–526. https://doi.org/10.1007/978-3-030-20557-7_31
- Wang C., Li Z., Geng X., Zhang H. Ecological remediation of petroleum contaminated soil based on microbial degradation // Appl. Ecol. Environ. Res. 2020. V. 18(2). P. 2727–2746. http://dx.doi.org/10.15666/aeer/1802_27272746
- Warren S.G. Light-absorbing impurities in snow: a personal and historical account // Frontiers Earth Sci. 2019. V. 6. P. 250. https://doi.org/10.3389/feart.2018.00250
- Wei S.T., Lacap-Bugler D.C., Lau M.C., Caruso T., Rao S., de Los Rios A., Archer S.K., Chiu J.M.Y., Higgins C., Van Nostrand J.D., Zhou J., Hopkins D.W., Pointing S.B. Taxonomic and functional diversity of soil and hypolithic microbial communities in Miers Valley, McMurdo Dry Valleys, Antarctica // Frontiers Microbiol. 2016. V. 7. P. 1642. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01642
- Whyte L.G., Schultz A., van Beiden J.B., Luz A.P., Pellizari V., Labbé D., Greer C.W. Prevalence of alkane monooxygenase genes in Arctic and Antarctic hydrocarbon-contaminated and pristine soils // FEMS Microbiol. Ecol. 2002. V. 41. P. 141–150. https://doi.org/10.1111/j.1574–6941.2002.tb00975.x.
- Zawierucha K., Trzebny A., Buda J., Bagshaw E., Franzetti A., Dabert M., Ambrosini R. Trophic and symbiotic links between obligate-glacier water bears (Tardigrada) and cryoconite microorganisms // Plos One. 2022. V. 17(1). P. e0262039. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0262039
- Zhelezova A., Chernov T., Tkhakakhova A., Xenofontova N., Semenov M., Kutovaya O. Prokaryotic community shifts during soil formation on sands in the tundra zone // PLoS One. 2019. V. 14(4). P. e0206777. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206777