|
 |
|
Влияние нитратов на структуру бактериального сообщества бурозема, загрязненного нефтью
Бородуля П.А., Манучарова Н.А. Polina A. Borodulya, Natalia A. Manucharova
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
УДК 631.461:504.5
В работе исследовано влияние различных концентраций нитратов на структуру бактериальных сообществ бурозёма (Haplic Cambisols) при нефтяном загрязнении. Цианобактерии, играющие ключевую роль в поддержании азотного баланса почв, рассматриваются как индикаторы экологического состояния микробоценоза. Образцы бурозёма, отобранные в Краснодарском крае, инкубировали в течение месяца с добавлением нефти (5% от массы почвы) и нитратов в концентрациях 0,05; 0,1 и 0,2 г/л. Таксономическую структуру прокариотных сообществ определяли методом высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК с последующей биоинформатической обработкой данных в системе EzBioCloud. Установлено, что низкие дозы нитратов (0,05–0,1 г/л) стимулировали структурное разнообразие микробного сообщества и способствовали увеличению доли цианобактерий. Внесение нефти и высоких концентраций нитратов (0,2 г/л) приводило к резкому снижению таксономического разнообразия и исчезновению большинства фотосинтезирующих цианобактерий. В нефтезагрязнённых образцах при добавлении KNO₃ (0,1 г/л) отмечалось доминирование представителей рода Vampirovibrio (тип Melainabacteria), филогенетически близкого к Cyanobacteria, что отражает перестройку микробного сообщества и утрату его экологического равновесия. Полученные результаты демонстрируют чувствительность цианобактериальных сообществ к комбинированному действию нефти и нитратов и могут быть использованы для разработки биотехнологических подходов к оценке состояния и биоремедиации загрязнённых почв. Ключевые слова: бурозём; нефтяное загрязнение; нитраты; цианобактерии; Vampirovibrio; Melainabacteria; прокариотное сообщество; 16S рРНК секвенирование; биоремедиация почв
Цианобактерии занимают ключевое место в почвенных экосистемах, формируя первичные сообщества, участвуют в поддержании плодородия, регуляции биогеохимических циклов углерода и азота (Дубовий и др., 2015). Однако антропогенные нагрузки, такие как внесение избыточных количеств минеральных удобрений или загрязнение углеводородами нефти, существенно изменяют структуру и функции микробных сообществ. Нитраты, являясь легкоусвояемой формой азота, могут стимулировать рост отдельных групп цианобактерий, одновременно подавляя их способность к фиксации атмосферного азота (Kramer et al., 2022). Загрязнение почвы нефтью, напротив, создаёт стрессовые условия за счёт токсичности углеводородов и изменения кислородного режима, что ведёт к снижению видового разнообразия и перестройке трофических связей (Jia et al., 2023). Изучение реакции цианобактериальных сообществ на совместное воздействие нитратов и нефтяных углеводородов позволяет лучше понять устройство почвенных экосистем и механизмы их адаптации к техногенному загрязнению (Flores, Herrero, 2005). Эти данные необходимы для разработки эффективных стратегий биоремедиации и управления качеством окружающей среды. Целью работы было изучение филогенетической структуры бактериального сообщества нефтезагрязненного бурозема при внесении нитратов.
Материалы и методы Объектами исследования явились прокариотные сообщества верхнего гумусового горизонта А (глубина отбора 3–7 см) бурозема (Haplic CAMBISOLS), отобранные в Краснодарском крае (44.752500, 37.528333). Образцы бурозема увлажняли до 60% от массы почвы и разделяли на две серии экспериментов: с добавлением нефти (в концентрации 5% от массы почвы) и без нее. Нитраты добавляли в трех различных концентрациях: 0,05; 0,1; 0,2 г/л к загрязненным и незагрязненным нефтью образцам. Эксперимент проводили в течение месяца. Оценку структуры прокариотных сообществ исследуемых образцов проводили с помощью метода высокопроизводительного секвенирования консервативного участка гена 16S рРНК. Для экстракции тотальной ДНК применяли стандартные методы выделения по протоколу FastDNA SPIN Kit forSoil (MP Biomedicals), направленные на наиболее полное извлечение молекул ДНК из образцов (Манучарова и др., 2023). Нуклеотидные последовательности вариабельных фрагментов генов 16S рибосомальных РНК из образцов метагеномной ДНК определяли с помощью 24 высокопроизводительного секвенирования. После проведенных прочтений с обоих концов ДНК формировали файл с прямыми и обратными прочтениями, которые представляли собой текстовое описание первичной структуры линейных макромолекул в виде последовательности мономеров. Обработку данных секвенирования проводили с использованием таксономической базы данных последовательностей гена 16S рРНК и полных геномных сборок для бактерий и архей EzBioCloud (Yoon et al., 2017).
Результаты и обсуждение Разнообразие бактериального сообщества было наибольшим в варианте с добавлением нитратов в наименьшей концентрации (0,05 г/л) (рис. 1), при этом индекс Шеннона достигал значения 7,0. Интересно отметить, что добавление к образцам отдельно как нефти, так и нитратов в наибольшей концентрации 0,2 г/л значимо снижало бактериальное разнообразие (индекс Шеннона 5,6 и 5,0, соответственно).
Рис. 1. Филогенетическая структура бактериального сообщества бурозема, загрязненного и не загрязненного нефтью под воздействием различных концентраций нитратов
С внесением нефти разнообразие прокариот уменьшилось, доминирующими филумами стали Pseudomonadota и Bacillota, которые составляли 30 и 20% соответственно. В незагрязненных нефтью вариантах обнаруживается филум Cyanobacteria, а в вариантах с нефтью представители этого филума присутствуют только при добавлении нитратов в концентрации 0,1 г/л. Добавление нитратов к нефтезагрязненным образцам снижало разнообразие прокариот. Исключение составляли исследуемые образцы с наибольшей концентрацией (0,2 г/л) нитратов, где отмечалось возрастание разнообразия (индекс Шеннона 5,7) за счет представителей филумов Actinomycetota и Bacillota. Таким образом, загрязнение бурозема нефтью вызывало уменьшение прокариотного разнообразия, а комбинированное действие нитратов и нефти усиливало данный эффект, снижая индекс Шеннона до 5,1. Полученные данные указывают на то, что низкие дозы нитратов (0,05 и 0,1 г/л) могут стимулировать структурное разнообразие, в то время как нефть и высокие концентрации нитратов оказывают негативное воздействие, ограничивая видовой состав сообществ. Одними из наиболее чувствительных к нефтезагрязнению прокариот являются цианобактерии (Гусев и др., 1981; Abed, 2010), которые полностью исчезают из бактериального сообщества на загрязнённых нефтью участках. Способность этих микроорганизмов обеспечивать систему азотом может быть использована в биотехнологии при ремедиации территорий. В связи с этим, на следующем этапе работы наше внимание было уделено изучению представителей филума Cyanobacteria (Flores, Herrero, 2005) и оценке воздействия нитратов на их содержание в загрязненном и незагрязненном буроземе. В контрольных образцах доля цианобактерий составила около 0,1% от общего числа бактерий (рис. 1). При добавлении нитратов в концентрациях 0,05 и 0,1 г/л доля цианобактерий возрастала до 0,4%, что свидетельствует о стимулирующем эффекте доступного азота (рис. 2). Однако при увеличении концентрации нитратов до 0,2 г/л содержание цианобактерий снижалось до 0,05%. В условиях нефтяного загрязнения цианобактерии отсутствовали, за исключением образца с концентрацией нитратов 0,1 г/л, где численность этих микроорганизмов сохранялась на уровне контрольного образца.
Рис. 2. Процентное соотношение цианобактерий в составе бактериального сообщества бурозёма
Таким образом, определена оптимальная доза нитратов, обеспечивающая сохранение представителей цианобактерий в условиях нефтяного загрязнения бурозёма. Оценка структуры прокариотных сообществ, относящихся к филогенетически близкой группе Cyanobacteria–Melainabacteria, показала, что во всех исследуемых вариантах опыта доминирующим таксоном являлся род Vampirovibrio, относящийся к типу Melainabacteria. В условиях нефтяного загрязнения представители Vampirovibrio оставались практически единственными, обнаруживаемыми в данной филогенетической группе, тогда как фотосинтезирующие цианобактерии отсутствовали. Вид Microcoleus vaginatus выявлен исключительно в контрольных образцах без нефти при концентрации нитратов 0,05 г/л.
В контрольном варианте (рис.3 a) отмечается более высокое разнообразие, включающее несколько таксонов, среди которых выявлен вид Microcoleus vaginatus (15%), а также представители рода Vampirovibrio (78%). В условиях загрязнения образцов бурозема нефтью с добавлением нитратов в концентрации 0,1 г/л структура сообщества изменялась: наблюдалось доминирование представителей Vampirovibrio, при этом другие представители цианобактерий в исследованных образцах практически не наблюдались (рис.3 b).
Таким образом, нефтяное загрязнение в сочетании с внесением KNO3 приводило к резкому снижению таксономического разнообразия и формированию сообщества с выраженной доминантой представителей рода Vampirovibrio.
б Рис. 3. Таксономическая структура сообщества цианобактерий в исследуемых вариантах опыта: a) незагрязненный бурозем (контроль), b) нефтезагрязненный бурозем с добавлением 0,1 г/л нитратов.
Заключение Изучено влияние разных концентраций нитрат-ионов на структуру бактериального сообщества бурозема, загрязненного нефтью. Установлено, что наибольшая из исследованных концентрация нитрат-ионов снижала разнообразие прокариот по сравнению с контролем как в загрязненных, так и в незагрязненных нефтью образцах за счет выхода в доминанты представителей филума Pseudomonadota. Проведенное исследование показало, что цианобактериальные сообщества почв характеризуются высокой чувствительностью к внесению нитратов и нефтяное загрязнение. Низкие концентрации нитратов (0,05–0,1 г/л) способствуют повышению биоразнообразия и стимулируют развитие цианобактерий, включая Microcoleus vaginatus. Однако воздействие высокой концентрации нитратов (0,2 г/л) и одновременно внесение нефти приводят к резкому снижению таксономического разнообразия, исчезновению большинства цианобактерий и формированию сообществ с выраженной доминантой рода Vampirovibrio, что отражает дестабилизацию структуры микробного сообщества. Полученные результаты могут иметь практическую значимость для оценки техногенного воздействия на экосистемы. Низкие дозы нитратов могут быть использованы как элемент стратегии биоремедиации, способствующий поддержанию или восстановлению микробного разнообразия.
Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РНФ №24-14-00108 «Агробиотехнологический потенциал автохтонного метафункционального почвенного микробиома». Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.
Список литературы
Статья поступила в редакцию 08.11.2024
Об авторах Бородуля Полина Андреевна – Borodulya Polina A. студент, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia), факультет почвоведения pol.borodulya@gmail.com Манучарова Наталия Александровна – Manucharova Natalia A. доктор биологических наук elibrary SPIN-код: 2873-3728, AuthorID: 127324 manucharova@mail.ru Корреспондентский адрес: 119234, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения МГУ. Телефон: (495) 939-24-58.
ССЫЛКА: Бородуля П.А., Манучарова Н.А. Влияние нитратов на структуру бактериального сообщества бурозема, загрязненного нефтью// Вопросы современной альгологии. 2024. № 2–3 (35–36). P. 37–43. URL: http://www.algology.ru/1750 DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2024-2-3(35-36)-37-43, EDN – UXWJKW
Influence of nitrates on the bacterial community structure Polina A. Borodulya, Natalia A. Manucharova Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia) The influence of different nitrate concentrations on the bacterial community structure of brown forest soil (Haplic Cambisols) under oil pollution was investigated. Cyanobacteria, which play a key role in maintaining soil nitrogen balance, are commonly used as indicators of the ecological status of microbial communities. Soil samples collected from the Krasnodar region were incubated for one month with the addition of crude oil (5% of soil weight) and potassium nitrate at concentrations of 0.05, 0.1, and Key words: brown forest soil; Haplic Cambisols; crude oil contamination; oil pollution; nitrates; cyanobacteria; soil bacterial community; 16S rRNA gene sequencing; microbial diversity; bioremediation
References
Authors Polina A. Borodulya Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia pol.borodulya@gmail.com Manucharova Natalia A. ORCID – https://orcid.org/0000-0002-7304-7753 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia Scopus Author ID: 6601997899 manucharova@mail.ru
ARTICLE LINK: Borodulya P.A., Manucharova N.A. Influence of nitrates on the bacterial community structure of oil-polluted brown soil (Haplic Cambisols). Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2024. № 2–3(35–36). P. 37–43. URL: http://www.algology.ru/1750 DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2024-2-3(35-36)-37-43, EDN – UXWJKW When reprinting a link to the site is required
Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free.
На ГЛАВНУЮ
К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
|
|
|
 | | ||
|
| ||
