Прокариотные сообщества почвогрунтов отвалов курской магнитной аномалии

Обложка
  • Авторы: Иванова Е.А.1,2,3, Першина Е.В.2, Карпова Д.В.4, Тхакахова А.К.1, Железова А.Д.1, Рогова О.Б.1, Семенов М.В.1, Стифеев А.И.5, Никитин Д.А.1, Колганова Т.В.6, Андронов Е.Е.1,2
  • Учреждения:
    1. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук
    2. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»
    3. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Агрофизический научно-исследовательский институт»
    4. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»
    5. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. А.А. Иванова»
    6. Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр „Фундаментальные основы биотехнологии“ Российской академии наук»
  • Выпуск: Том 18, № 3 (2020)
  • Страницы: 331-342
  • Раздел: Метагеномика экосистем
  • URL: https://journals.rcsi.science/ecolgenet/article/view/17901
  • DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen17901
  • ID: 17901

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проанализированы физико-химические параметры, растительное сообщество и структура прокариотных комплексов микробиомов однолетних (с растительным покровом и без него), 25- и 50-летних эмбриональных почв (техноземов), сформированных в районе Курской магнитной аномалии (КМА, Россия). Для анализа прокариотных сообществ использовали метод полимеразной цепной реакции в реальном времени (qPCR) и высокопроизводительное NGS-секвенирование библиотек вариабельного V4 участка генов 16S рРНК. В процессе почвообразования, наряду с увеличением содержания органического углерода и азота, наблюдалось постепенное увеличение копий гена 16S рРНК архей и численности бактериальных таксонов, принадлежащих к семействам Bradyrhizobiaceae, Blastocatellaceae, Xantobacteriaceae. Анализ биоразнообразия выявил специфическую кластеризацию микробиомов — образцы однолетних отвалов без растительности формировали отдельную группу, при этом остальные техноземы в целом имели сходную структуру и разнообразие прокариотных сообществ, значительно отличающихся от зрелой почвы. Содержание тяжелых металлов и количество бактерий в ходе почвообразования существенным образом не изменялось. Полученные результаты показывают, что пятидесяти лет недостаточно для развития почвы на отвалах вскрышных пород, установления в ней экологически безопасного уровня тяжелых металлов и восстановления функционирования почвенной экосистемы.

Об авторах

Екатерина Андреевна Иванова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук; Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»; Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Агрофизический научно-исследовательский институт»

Автор, ответственный за переписку.
Email: ektrnivanova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1589-9875

канд. биол. наук, старший научный сотрудник отдела биологии и биохимии почв; научный сотрудник лаборатории микробиологического мониторинга и биоремедиации почв; научный сотрудник отдела моделирования адаптивных агротехнологий

Россия, Москва; Пушкин; Санкт-Петербург

Елизавета Владимировна Першина

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»

Email: microbioliza@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4472-1013

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории микробиологического мониторинга и биоремедиации почв

Россия, Пушкин, Санкт-Петербург

Дина Вячеславовна Карпова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

Email: karpovad@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9892-9621

д-р с.-х. наук, ведущий научный сотрудник кафедры эрозии оценки почв факультета почвоведения

Россия, Москва

Азида Климентовна Тхакахова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук

Email: azida271183@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9375-2364

канд. с.-х. наук, старший научный сотрудник отдела биологии и биохимии почв

Россия, Москва

Алена Дмитриевна Железова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук

Email: alferrum@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2086-299X

канд. биол. наук, научный сотрудник отдела биологии и биохимии почв

Россия, Москва

Ольга Борисовна Рогова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук

Email: olga_rogova@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0003-2908-0828

канд. биол. наук, научный сотрудник отдела биологии и биохимии почв

Россия, Москва

Михаил Вячеславович Семенов

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук

Email: gosmv@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-6811-5793

канд. биол. наук, старший научный сотрудник отдела биологии и биохимии почв

Россия, Москва

Анатолий Иванович Стифеев

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. А.А. Иванова»

Email: stifeev09.2015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7872-8921

д-р с.-х. наук, главный научный сотрудник кафедры экологии, садоводства и защиты растений

Россия, Курск

Дмитрий Алексеевич Никитин

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук

Email: dimnik90@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8533-6536

канд. биол. наук, научный сотрудник отдела биологии и биохимии почв

Россия, Москва

Татьяна Владимировна Колганова

Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр „Фундаментальные основы биотехнологии“ Российской академии наук»

Email: tatrifon@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7436-5219

канд. техн. наук, старший научный сотрудник

Россия, Москва

Евгений Евгеньевич Андронов

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» Российской академии сельскохозяйственных наук; Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»

Email: eeandr@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0437-9292

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник отдела биологии и тиохимии почв; заведующий лаборатории микробиологического мониторинга и биоремедиации почв

Россия, Санкт-Петербург; Пушкин, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Sourkova M, Frouz J, Fettweis U, et al. Soil development and properties of microbial biomass succession in reclaimed post mining sites near Sokolov (Czech Republic) and near Cottbus (Germany). Geoderma. 2005;129(1-2): 73-80. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004. 12.032.
  2. Dangi SR, Stahl PD, Wick AF, et al. Soil microbial community recovery in reclaimed soils on a surface coal mine site. Soil Sci Soc Am J. 2012;76(3):915-924. https://doi.org/10.2136/sssaj2011.0288.
  3. Liu S, Liu W, Yang M, et al. The genetic diversity of soil bacteria affected by phytoremediation in a typical barren rare earth mined site of South China. Springerplus. 2016;5(1):1131. https://doi.org/10.1186/s40064-016-2814-0.
  4. Смольникова В.В., Емельянов С.А. Биотехнологические основы оптимизации микрофлоры нефтезагрязненных субстратов // Юг России: экология, развитие. – 2010. – Т. 5. – № 3. – С. 106–110. [Smolnikova VV, Emilyanov SA. Biotechnological bases of optimization of microflora of the petropolluted substrata. Ug Rossii: ecologia, rasvitie. 2010;5(3):106-110. (In Russ.)]
  5. Frouz J, Novakowa A. Development of soil microbial properties in topsoil layer during spontaneous succession in heaps after brown coal mining in relation to humus microstructure development. Geoderma. 2005;129: 54-64. https://doi.org/10.1016/j.geoderma. 2004.12.033.
  6. Zhelezova A, Chernov T, Tkhakakhova A, et al. Prokaryotic community shifts during soil formation on sands in the tundra zone. PLoS One. 2019;14(4): e0206777. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206777.
  7. Appenroth KJ. Definition of «Heavy Metals» and their role in biological systems. Soil Biology. 2010;19:19-29. https://doi.org/10.1007/978-3-642-02436-8_2.
  8. Сангаджиева Л.Х., Сангаджиева О.С., Даваева Ц.Д., и др. Тяжелые металлы в компонентах ландшафтов Калмыкии // Юг России: экология, развитие. – 2010. – Т. 5. – № 1. – С. 156–161. [Sangadjieva LH, Sangadjieva OS, Davaeva CD, et al. Heavy metals in the landscape components of the Kalmykia. Ug Rossii: ecologia, rasvitie. 2010;5(1):156-161. (In Russ.)]
  9. Lorenz N, Hintemann T, Kramarewa T, et al. Response of microbial activity and microbial community composition in soils to long-term arsenic and cadmium exposure. Soil Biol Biochem. 2006;38(6):1430-1437. https://doi.org/ 10.1016/j.soilbio.2005.10.020.
  10. Oliveira A, Pampulha ME. Effects of long-term heavy metal contamination on soil microbial characteristics. J Biosci Bioeng. 2006;102(3): 157-161. https://doi.org/10.1263/jbb.102.157.
  11. Gołębiewski M, Deja-Sikora E, Cichosz M, et al. 16S rDNA pyrosequencing analysis of bacterial community in heavy metals polluted soils. Microb Ecol. 2014;67(3):635-647. https://doi.org/10.1007/s00248-013-0344-7.
  12. Колесников С.И., Ярославцев М.В., Спивакова Н.А., и др. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства горных черноземов юга России // Юг России: экология, развитие. – 2012. – Т. 7. – № 2. – С. 103–109. [Kolesnikov SI, Yaroslavcev MV, Spivakova NA, et al. Influence of pollution by heavy metals on biological properties of mountain chernozems of the south of Russia. Ug Rossii: ecologia, rasvitie. 2012;7(2):103-109. (In Russ.)]
  13. Li X, Meng D, Li J, et al. Response of soil microbial communities and microbial interactions to long-term heavy metal contamination. Environ Pollut. 2017;231(Pt 1):908-917. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.08.057.
  14. Стифеев А.И., Никитина О.В., Бессонова Е.А., Кемов К.Н. Рекультивация нарушенных земель и технологии их реабилитации на территории Центрального Черноземья // Международный сельскохозяйственный журнал. – 2017. – № 6. – С. 34–38. [Stifeev AI, Nikitina OV, Bessonova EA, Kemov KN. Recultivacia narushennyh zemel I tehnologii ih reabilitacii na territorii Centralnogo Chernozemya. Mezhdunarodnyi sel’skokhoziaistvennyi zhurnal. 2017;(6): 34-38. (In Russ.)]. https://doi.org/10.24411/ 2587-6740-2017-16008.
  15. Caporaso JG, Kuczynski J, Stombaugh J, et al. Correspondence QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data Intensity normalization improves color calling in SOLiD sequencing. Nature Publishing Group. 2010;7(5):335-336. https://doi.org/10.1038/nmeth.f.303.
  16. DeSantis TZ, Hugenholtz P, Larsen N, et al. Greengenes, a chimera-checked 16S rRNA gene database and workbench compatible with ARB. Appl Environ Microbiol. 2006;72(7):5069-5072. https://doi.org/10.1128/AEM.03006-05.
  17. Стифеев А.И., Головастикова А.В., Бессонова Е.А. Изменение состава и структуры микробного сообщества в условиях техногенного ландшафта отвалов Михайловского ГОКа КМА // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. – 2011. – № 4. – С. 40–41. [Stifeev AI, Golovastikova AV, Bessonova EA. Ismenenia sostava I structury microbnogo soobschestva v usloviyah tehnogennogo landshafta otvalov Mihaylovskogo GOKa KMA. Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy selkohozyaystvennoy akademii. 2011;(4):40-41. (In Russ.)]
  18. Бриндукова Е.Е. Закономерности аккумуляции валовых и подвижных форм тяжелых металлов в черноземе типичном юго-западной Лесостепи: Автореф. дис. … докт. биол. наук. – Курск, 2010. – 19 с. [Brindukova EE. Zakonomernosti akkumulyatsii valovykh i podvizhnykh form tyazhelykh metallov v chernozeme tipichnom yugo-zapadnoy Lesostepi. [dissertation abstract] Kursk; 2010. 19 p. (In Russ.)]. Доступно по: https://search.rsl.ru/ru/record/01004617735. Ссылка активна на 02.02.2020.
  19. Boldt-Burisch K, Naeth MA, Schneider BU, et al. Linkage between root systems of three pioneer plant species and soil nitrogen during early reclamation of a mine site in Lusatia, Germany. Resoration Ecology. 2015; 23(4):357-365. https://doi.org/10.1111/rec.12190.
  20. Семенов М.В., Манучарова Н.А., Степанов А.Л. Распределение метаболически активных представителей прокариот (архей и бактерий) по профилям чернозема и бурой полупустынной почвы // Почвоведение. – 2016. – № 2. – С. 239–248. [Semenov MV, Manucharova NA, Stepanov AL. Distribution of metabolically active prokaryotes (Archaea and Bacteria) throughout the profiles of chernozem and brown semidesert soil. Pochvovedenie. 2016;(2):239-248. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0032180X16020106.
  21. Bergmann GT, Bates ST, Eilers KG, et al. The under-recognized dominance of Verrucomicrobia in soil bacterial communities. Soil Biol Biochem. 2011;43(7):1450-1455. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.03.012.
  22. Semenov MV, Chernov TI, Tkhakakhova AK, et al. Distribution of prokaryotic communities throughout the Chernozem profiles under different land uses for over a century. Appl Soil Ecol. 2018;127:8-18. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2018.03.002.
  23. Elliott DR, Thomas AD, Hoon SR, Sen R. Niche partitioning of bacterial communities in biological crusts and soils under grasses, shrubs and trees in the Kalahari. Biodiversity Conservat. 2014;23(7):1709-1733. https://doi.org/10.1007/s10531-014-0684-8.
  24. Pershina EV, Ivanova EA, Korvigo IO, et al. Investigation of the core microbiome in main soil types from the East European plain. Sci Total Environ. 2018;631:1421-1430. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.136.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Количество копий гена 16S рРНК бактерий (а) и архей (b) в техноземах (LL1 и LL1LL1b) и эмбриоземах (LL25–50) отвалов Kурской магнитной аномалии, а также в контрольной почве (control_U, control_D)

Скачать (41KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Показатели альфа-разнообразия техноземов и эмбриоземов вскрышных пород Курской магнитной аномалии, а также в контрольной почве

Скачать (54KB)
Метаданные
4. Рис. 3. PCoA-анализ невзвешенных (a) и взвешенных (b) расстояний Unifrac микробных сообществ техноземов и эмбриоземов отвалов вскрышных пород Kурской магнитной аномалии и в контрольной почве. Серым цветом обозначены слои 0–5 см, черным цветом – 5–10 см

Скачать (121KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структура микробных сообществ изучаемых почв на уровне филумов

Скачать (266KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Теплокарта доминантных таксонов, связанных с исследуемыми этапами почвообразования на отвалах Курской магнитной аномалии и в образцах контрольной почвы

Скачать (508KB)
Метаданные

© Иванова Е.А., Першина Е.В., Карпова Д.В., Тхакахова А.К., Железова А.Д., Рогова О.Б., Семенов М.В., Стифеев А.И., Никитин Д.А., Колганова Т.В., Андронов Е.Е., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах