ИЗУЧЕНИЕ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ ПРИРОДНЫХ СУБСТРАТОВ КРИОЛИТОЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Литературный обзор 10
1.1 Торф 10
1.1.1 Основные характеристики торфов 10
1.1.2 Микрофлора торфов 14
1.2 Криолитозона как среда обитания микроорганизмов 15
1.3 Изучение микробных сообществ арктических и субарктических почв 18
1.4 Факторы, влияющие на микробиологический состав почв 22
1.5 Распространение микроорганизмов в профиле тундровых почв 25
1.6 Метагеномный анализ 27
2 Материалы и методы исследований 31
2.1 Объект исследования 31
2.2 Методика проведения микробиологического анализа 35
2.3 Методика проведения метагеномного анализа 36
3 Широтное распределение микроорганизмов мерзлотной торфяной почвы 39
3.1 Изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы лесотундры (участок Пангоды) 39
3.2 Изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы
тундры (участок Тазовский) 43
3.3 Изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы
северной тайги (участок Ханымей) 48
4 Метагеномный анализ профилей мерзлотных торфяных почв 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 57
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Литературный обзор 10
1.1 Торф 10
1.1.1 Основные характеристики торфов 10
1.1.2 Микрофлора торфов 14
1.2 Криолитозона как среда обитания микроорганизмов 15
1.3 Изучение микробных сообществ арктических и субарктических почв 18
1.4 Факторы, влияющие на микробиологический состав почв 22
1.5 Распространение микроорганизмов в профиле тундровых почв 25
1.6 Метагеномный анализ 27
2 Материалы и методы исследований 31
2.1 Объект исследования 31
2.2 Методика проведения микробиологического анализа 35
2.3 Методика проведения метагеномного анализа 36
3 Широтное распределение микроорганизмов мерзлотной торфяной почвы 39
3.1 Изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы лесотундры (участок Пангоды) 39
3.2 Изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы
тундры (участок Тазовский) 43
3.3 Изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы
северной тайги (участок Ханымей) 48
4 Метагеномный анализ профилей мерзлотных торфяных почв 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 57
Экосистемы Арктики подвержены влиянию глобальных (потепление климата) и локальных (загрязнение) факторов окружающей среды. Экосистемы сами во многом определяют климат всей планеты, через их воздействие на биогеохимический цикл углерода и уровень концентрации углекислоты - мощнейшего парникового газа в атмосфере [1].
Одним из приоритетных направлений исследований мирового научного сообщества в течение последнего десятилетия стали характер и интенсивность отклика наземных экосистем на изменение климата. Результаты масштабных натурных экспериментов по оценке последствий повышения концентрации парниковых газов в атмосфере приведены в работах Л.И. Инишевой с соавт.[1], P.D. Jones [2].
По мнению E.G. Lamb, разработанные в настоящее время климатические модели показывают, что повышение температуры, влажности и изменение режима питательных веществ в почве может существенно модифицировать микробные сообщества и опосредованно воздействовать через их отклик на потоки парниковых газов [3]. Поскольку климат голоцена в криолитозоне имеет явно выраженный гумидный характер и количество осадков в 2-4 раза превышает испарение, это обусловливает активное течение процессов биогеохимической деградации почв и, как следствие, постепенное уменьшение доступного растениям пула нутриентов. Влияние долговременной несбалансированности геохимических потоков на эволюцию экосистем, только начинает осознаваться и рассматривается в немногочисленных работах, посвященных этой теме [4, 5, 6, 7]. При этом вопрос об экосистемных последствиях климатически обусловленного стимулирования ферментативной активности почвенных микроорганизмов и увеличения скорости разложения органического вещества в криолитозоне по мнению А. Koyama [8] также остается открытым. Как известно частично разложившиеся останки растений и животных накапливаются в органических почвах в течение тысячелетий, что делает их крупнейшим банком углерода на планете. По этой причине, как отмечают C.Kramer и G.Gleixner [9], в научном сообществе растет озабоченность тем, что в условиях изменения климата растущая метаболическая активность почвенной микрофлоры будет способствовать еще более глобальным изменениям климата.
Все перечисленные аргументы обусловливают высокую актуальность изучения характера микробиологических процессов в профиле мерзлотных торфяных почв и влияния на эти процессы климатических факторов, вызывающих периодические изменения физико-химических параметров торфяных почв. Особое место в исследованиях микрофлоры мерзлых грунтов занимает Западная Сибирь, так как содержит зоны распространения как сплошной, так и прерывистой мерзлоты. Территория Западной Сибири находится на гомогенном литологическом субстрате, перекрытом массивными залежами торфа, и расположена в доступной и относительно незатронутой хозяйственной деятельностью человека местности [10].
Как было показано В.И. Вернадским, а затем подтверждено другими исследователями, микроорганизмы играют исключительно важную роль в формировании эколого-геохимического состояния компонентов биосферы [11, 12]. Количественный и
групповой состав микроорганизмов являются важнейшими критериями в оценке состояния исследуемых объектов.
Гетеротрофные бактерии являются ключевым компонентом в динамике биогеохимических процессов во многих экосистемах [13].
Производственная практика была пройдена в лаборатории биоразнообразия и экологии «БиоКлимЛэнд» в рамках летней школы «Наука как форма жизни: гетерогенные сообщества в полевом биологическом исследовании».
Цель работы - выявить некоторые закономерности профильного распределения микроорганизмов основных эколого-трофических групп, непосредственно задействованных в трансформации органического вещества торфа и поддерживающих биологические циклы углерода и азота в мерзлотной торфяной почве лесотундры, тундры и северной тайги, а так же провести метагеномный анализ микробных сообществ.
Для достижения данной цели были выполнены следующие задачи:
1. Изучить изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы лесотундры (участок Пангоды), тундры (участок Тазовский), северной тайги (участок Ханымей).
2. Рассмотреть сходство и различия характера профильного распределения микроорганизмов в исследованных мерзлотных торфяных почвах.
3. Провести выделение ДНК из образцов мерзлой торфяной почвы участков лесотундры (участок Пангоды), тундры (участок Тазовский), северной тайги (участок Ханымей) с последующим их секвенированием.
Объектом исследования является торфяной профиль модельных участков плоскобугристых болот «Пангоды», полигональных болот «Тазовский» и участка крупнобугристых болот «Ханымей».
Предметом исследования являются широтное распределение микробных сообществ мерзлых торфов.
Защищаемые положения:
1. В зоне вечной мерзлоты микроорганизмы сохраняют свою функциональную активность.
2. Зона оптимума эвтрофных микробных сообществ в профиле мерзлых торфяных почв отличается от зоны оптимума олиготрофных микробных сообществ.
Во время обучения в Томском Государственном Университете принимала участие в университетской конференции «Старт в науку», региональной конференции «Globalization and contemporary. Social economic region development», принимала участие в научном проекте «Водно-болотные экосистемы Западной Сибири: отклик на климатические и антропогенные изменения» и «Микробные сообщества болотных экосистем криолитозоны Западной Сибири».
Выражаю благодарность своему научному руководителю - Лущаевой Инне Владимировне, а также, директору центра превосходства «БиоКлимЛэнд» и заведующему лабораторией биоразнообразия и экологии Кирпотину Сергею Николаевичу, сотрудникам лаборатории Покровскому Олегу Сергеевичу, Колесниченко Ларисе Геннадьевне, так же сотрудникам лаборатории, которые предоставили образцы торфа. Особую благодарность выражаю профессору ТГУ Терещенко Наталье Николаевне за консультацию в проводимых исследованиях.
Одним из приоритетных направлений исследований мирового научного сообщества в течение последнего десятилетия стали характер и интенсивность отклика наземных экосистем на изменение климата. Результаты масштабных натурных экспериментов по оценке последствий повышения концентрации парниковых газов в атмосфере приведены в работах Л.И. Инишевой с соавт.[1], P.D. Jones [2].
По мнению E.G. Lamb, разработанные в настоящее время климатические модели показывают, что повышение температуры, влажности и изменение режима питательных веществ в почве может существенно модифицировать микробные сообщества и опосредованно воздействовать через их отклик на потоки парниковых газов [3]. Поскольку климат голоцена в криолитозоне имеет явно выраженный гумидный характер и количество осадков в 2-4 раза превышает испарение, это обусловливает активное течение процессов биогеохимической деградации почв и, как следствие, постепенное уменьшение доступного растениям пула нутриентов. Влияние долговременной несбалансированности геохимических потоков на эволюцию экосистем, только начинает осознаваться и рассматривается в немногочисленных работах, посвященных этой теме [4, 5, 6, 7]. При этом вопрос об экосистемных последствиях климатически обусловленного стимулирования ферментативной активности почвенных микроорганизмов и увеличения скорости разложения органического вещества в криолитозоне по мнению А. Koyama [8] также остается открытым. Как известно частично разложившиеся останки растений и животных накапливаются в органических почвах в течение тысячелетий, что делает их крупнейшим банком углерода на планете. По этой причине, как отмечают C.Kramer и G.Gleixner [9], в научном сообществе растет озабоченность тем, что в условиях изменения климата растущая метаболическая активность почвенной микрофлоры будет способствовать еще более глобальным изменениям климата.
Все перечисленные аргументы обусловливают высокую актуальность изучения характера микробиологических процессов в профиле мерзлотных торфяных почв и влияния на эти процессы климатических факторов, вызывающих периодические изменения физико-химических параметров торфяных почв. Особое место в исследованиях микрофлоры мерзлых грунтов занимает Западная Сибирь, так как содержит зоны распространения как сплошной, так и прерывистой мерзлоты. Территория Западной Сибири находится на гомогенном литологическом субстрате, перекрытом массивными залежами торфа, и расположена в доступной и относительно незатронутой хозяйственной деятельностью человека местности [10].
Как было показано В.И. Вернадским, а затем подтверждено другими исследователями, микроорганизмы играют исключительно важную роль в формировании эколого-геохимического состояния компонентов биосферы [11, 12]. Количественный и
групповой состав микроорганизмов являются важнейшими критериями в оценке состояния исследуемых объектов.
Гетеротрофные бактерии являются ключевым компонентом в динамике биогеохимических процессов во многих экосистемах [13].
Производственная практика была пройдена в лаборатории биоразнообразия и экологии «БиоКлимЛэнд» в рамках летней школы «Наука как форма жизни: гетерогенные сообщества в полевом биологическом исследовании».
Цель работы - выявить некоторые закономерности профильного распределения микроорганизмов основных эколого-трофических групп, непосредственно задействованных в трансформации органического вещества торфа и поддерживающих биологические циклы углерода и азота в мерзлотной торфяной почве лесотундры, тундры и северной тайги, а так же провести метагеномный анализ микробных сообществ.
Для достижения данной цели были выполнены следующие задачи:
1. Изучить изменение численности микроорганизмов в профиле мерзлотной торфяной почвы лесотундры (участок Пангоды), тундры (участок Тазовский), северной тайги (участок Ханымей).
2. Рассмотреть сходство и различия характера профильного распределения микроорганизмов в исследованных мерзлотных торфяных почвах.
3. Провести выделение ДНК из образцов мерзлой торфяной почвы участков лесотундры (участок Пангоды), тундры (участок Тазовский), северной тайги (участок Ханымей) с последующим их секвенированием.
Объектом исследования является торфяной профиль модельных участков плоскобугристых болот «Пангоды», полигональных болот «Тазовский» и участка крупнобугристых болот «Ханымей».
Предметом исследования являются широтное распределение микробных сообществ мерзлых торфов.
Защищаемые положения:
1. В зоне вечной мерзлоты микроорганизмы сохраняют свою функциональную активность.
2. Зона оптимума эвтрофных микробных сообществ в профиле мерзлых торфяных почв отличается от зоны оптимума олиготрофных микробных сообществ.
Во время обучения в Томском Государственном Университете принимала участие в университетской конференции «Старт в науку», региональной конференции «Globalization and contemporary. Social economic region development», принимала участие в научном проекте «Водно-болотные экосистемы Западной Сибири: отклик на климатические и антропогенные изменения» и «Микробные сообщества болотных экосистем криолитозоны Западной Сибири».
Выражаю благодарность своему научному руководителю - Лущаевой Инне Владимировне, а также, директору центра превосходства «БиоКлимЛэнд» и заведующему лабораторией биоразнообразия и экологии Кирпотину Сергею Николаевичу, сотрудникам лаборатории Покровскому Олегу Сергеевичу, Колесниченко Ларисе Геннадьевне, так же сотрудникам лаборатории, которые предоставили образцы торфа. Особую благодарность выражаю профессору ТГУ Терещенко Наталье Николаевне за консультацию в проводимых исследованиях.
Представленные данные по исследованиям микробных сообществ природных субстратов криолитозоны Западной Сибири далеко не исчерпывающие. Исследование эколого-трофических групп микробных сообществ показало, что наибольшее количество живых и активных клеток наблюдается в верхнем слое над границей замерзания-оттаивания по каждому из почвенных профилей. Также стоит отметить, что и в средних, и в нижних слоях (100 - 110 см) почвенного профиля, где оттаивание мерзлоты не происходит,
наблюдается активность микроорганизмов.
Для более полной информации по изучению микробных сообществ криолитозоны Западной Сибири необходим комбинированный, мультидисциплинарный подход к пониманию современной эволюции основных химических и биологических компонентов. Микробиологические методы исследования должны быть связаны с ландшафтно-экологическими (геоботаническими, почвенными, гидрологическими) исследованиями, метеорологическими наблюдениями, геохимическими и физико-химическими исследованиями природных сред (атмосферный воздух, торф, поверхностные и болотные воды, донные отложения).
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы:
1. В составе микробных сообществ исследованных мерзлотных торфяных почв присутствуют представители эвтрофного и олиготрофного микробных сообществ. Зона оптимума для олиготрофной микрофлоры - пограничный слой, расположенный над границей «замерзания-оттаивания», зона оптимума для эвтрофной микрофлоры - верхние, обогащенные кислородом слои почвенного профиля, а также слои, расположенные ниже границы «замерзания-оттаивания».
2. Профильное распределение микроорганизмов торфяной почвы неоднородно. Профиль тундровой почвы участка «Тазовский» отличается простыми зависимостями: численность микроорганизмов большинства исследованных эколого-трофических групп снижается с глубиной. Профильное распределение микроорганизмов в торфяной почве лесотундры участка «Пангоды» характеризуется значительно более сложным характером «микробиологического профиля». Профильное распределение микроорганизмов в торфяной почве северной тайги участка «Ханымей» показало, что численность микроорганизмов всех исследованных эколого-трофических групп, за исключением олиготрофов, не уменьшается с глубиной, а даже увеличивается.
3. В процессе проведенного секвенирования и последующего анализа
полученных ридов были выявлены следующие семейства микроорганизмов, которые встречались наиболее часто на всех трех участках: Lamia, Aciditerrimonas и Candodatus Koribacter. Так же на трех участках на небольшой глубине присутствуют Solirubrobacter, Conexibacter и Candidatus Solibacter, а на глубине свыше 100 см они сменяются Clostridium и Thermacetogenium.
наблюдается активность микроорганизмов.
Для более полной информации по изучению микробных сообществ криолитозоны Западной Сибири необходим комбинированный, мультидисциплинарный подход к пониманию современной эволюции основных химических и биологических компонентов. Микробиологические методы исследования должны быть связаны с ландшафтно-экологическими (геоботаническими, почвенными, гидрологическими) исследованиями, метеорологическими наблюдениями, геохимическими и физико-химическими исследованиями природных сред (атмосферный воздух, торф, поверхностные и болотные воды, донные отложения).
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы:
1. В составе микробных сообществ исследованных мерзлотных торфяных почв присутствуют представители эвтрофного и олиготрофного микробных сообществ. Зона оптимума для олиготрофной микрофлоры - пограничный слой, расположенный над границей «замерзания-оттаивания», зона оптимума для эвтрофной микрофлоры - верхние, обогащенные кислородом слои почвенного профиля, а также слои, расположенные ниже границы «замерзания-оттаивания».
2. Профильное распределение микроорганизмов торфяной почвы неоднородно. Профиль тундровой почвы участка «Тазовский» отличается простыми зависимостями: численность микроорганизмов большинства исследованных эколого-трофических групп снижается с глубиной. Профильное распределение микроорганизмов в торфяной почве лесотундры участка «Пангоды» характеризуется значительно более сложным характером «микробиологического профиля». Профильное распределение микроорганизмов в торфяной почве северной тайги участка «Ханымей» показало, что численность микроорганизмов всех исследованных эколого-трофических групп, за исключением олиготрофов, не уменьшается с глубиной, а даже увеличивается.
3. В процессе проведенного секвенирования и последующего анализа
полученных ридов были выявлены следующие семейства микроорганизмов, которые встречались наиболее часто на всех трех участках: Lamia, Aciditerrimonas и Candodatus Koribacter. Так же на трех участках на небольшой глубине присутствуют Solirubrobacter, Conexibacter и Candidatus Solibacter, а на глубине свыше 100 см они сменяются Clostridium и Thermacetogenium.
