Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Изучение рецентных стадий процесса почвообразования является актуальной задачей, как с точки зрения эволюции почв, так и в плане разработки методов возобновления почвенных ресурсов (рекультивации). Педогенез является комплексным процессом взаимодействия абиотических и биотических факторов, при этом вклад последних является существенным и зависит от функционирования почвенного микробиома. Микробиом является мощнейшим средообразующим фактором в почвенных экосистемах как в количественном (количество бактерий в почве может достигать 109 – 1010 клеток на грамм), так и в качественном отношении (микроорганизмам принадлежит ключевая роль в обеспечении циклов основных биогенных элементов, процессах деструкции органического вещества, а также формировании почвенного органического вещества). Почвы датированных экосистем исследованы как модели восстановления микробного сообщества и становления микробиома на различных возрастных стадиях. Собран обширный полевой материал, характеризующий различные стадии экогенетических и демутационных смен в различных природных зонах на территории России, арх. Шпицберген и Антарктики. В полярном поясе изучены почвы карьерно-отвальных комплексов в р-не пос. Баренцбург (Шпицберген), на территории Якутии и Ямало-Ненецкого автономного округе, а также на о-ве Кинг Джордж, Западная Антарктика. В бореальном поясе изучены хроносерии восстановления почв на песчаных отвалах карьеров по добыче песков (хроносерия серогумусовых почв и подзолов возрастом от 1 до 70 лет) и хроносерия подзолов на трансгрессионных валах Южного Приладожься (возраст от 70 до 3200 лет). Охарактеризован также микробиом почв рекультивированных земель Кингисеппского месторождения по добыче фосфоритов. В суббореальном поясе изучены процессы восстановления почв на отвалах келовейских глин и батовских песков (Курская магнитная аномалия, г. Железногорск) и процессы постпирогенной динамики серогумусовых почв в демутационных сменах в р-не г. Тольятти. Охарактеризованы уровни альфаразнообразия почвенных микроорганизмов. На примере хроносерии подзолов показано, что в ходе развития почв альфаразнообразие максимально на начальных стадиях почвообразования, позже оно несколько стабилизируется. При этом в профиле почв альфразнообразие снижается от горизонта О к горизонту BF почв различных возрастных стадий. Альфарзнообразие микроорганизмов полярных почв существенно различается в случае фоновых объектов и техногенных местообитаний, что связано с большей аэрацией и легким гранулометрическим составом последних. Решающее влияние на численность микроорганизмов в почвах тундровой зоны оказывают рекультивационные мероприятия (нанесение плодородного слоя почвы, посадка растений), что приводит к повышению содержания органического вещества. В в рекультивированном почве наблюдалось повышение численности бактерий в 1,8, грибов в 1,2 и архей в 24 раза по сравнению с фоновой почвой. Влияние типа рекультивации на состав почвенного микробиома было также проиллюстрировано на примере карьера по добыче фосфоритов в Ленинградской области. При рекультивации отвалов было реализовано три варианта рекультивации – посадка ели, лиственницы и сосны. Показатели альфаразнообразия для этих образцов оказались сравнительно низкими и сопоставимыми с таковыми для почв приполярных областей. Низкие показатели разнообразия могут являться следствием низкой интенсивности почвообразования на щбенистых отвалах и хорошо соотносятся с таковыми для подзолистых и дерново-подзолистых почв Северо-Западного региона исследованных ранее. В целом микробиомы сайтов месторождения фосфоритов характеризовались сходными показателями альфаразнообразия, что свидетельствует о том, что в случае применения лесной траектории рекультивации формируются экосистемы, сходные по составу микробиома с природными, характерными для данного региона. Сильное влияние на показатели альфаразнообразия оказывают катастрофические пожары. В верхних и особенно нижних горизонтах постпирогенных почв наблюдается снижение видового разнообразия микроорганизмов, а также индекса филогенетического разнообразия Фейта. Постпирогенная перестройка состава микробного сообщества играет решающую роль в дальнейшем развитии почвенных систем. Таким образом, установлена и описана хронологическая дифференциация микробиомов почв, развивающихся в различных субстратно-фитоценотических и климатических условиях. Выявлена тенденция смены копиотрофных групп микроорганизмов олиготрофными в ходе развития сукцессионных рядов почв, что свидетельствует о смене типов метаболизма микроорганизмов и увеличении их роли в трансформации органического вещества. Установлена существенная дивергенция состава микробного сообщества в случае развития почв в хроносерии подзолов. Микробиом этих почв достаточно быстро дифференцируется по горизонтам, в частности, совершенно различаются микробиомы подзолистых, иллювиальных и переходных к породам горизонтов. С возрастом стабилизируется метаболическая активность микробного сообщества, в частности, снижаются показатели метаболического коэффициента, в особенности в минеральных и органо-минеральных горизонтах почв. Во всех изученных хроносериях с увеличением общего содержания микробной биомассы снижается метаболический коэффициент, что свидетельствует о стабилизации метаболических процессов. Изменения в таксономическом составе бактериального сообщества связаны с переходом от неустойчивой стадии развития экосистемы, характеризующейся доминированием копиотрофных микроорганизмов (например, бактерий из рода Pseudomonas, бактерий из сем. Enterobacteriaceae) к климаксному типу сообщества с преобладанием актинобактерий и ацидобактерий, присутствие и высокое биоразнообразие которых свидетельствует об эффективном процессе преобразования почвенного органического вещества. Все закономерности, описанные при анализе альфаразнообразия и численности микробиомов находят отражение и в графиках бетаразнообразия. В частности, для образцов приполярных почв наблюдается обособление кластеров по типам карьеров по добыче строительных материалов и рудных полезных ископаемы в сравнении с фоновой почвой. В сообществах полярных посттехногенных почв доминируют бактерии из фил Acidobacteria (сем. Koribacteraceae, пор. RB41), Actinobacteria (сем-ва Intrasporangiaceae, Gaiellaceae), Chloroflexi (кл. Ellin6529), Gemmatimonadetes (пор. N1423WL) и Verrucomicrobia (сем. Chthoniobacteriaceae). В полярных почвах доминируют копиотрофы, особенно на начальных стадиях педогенеза. В случае почв бореального пояса копиотрофы довольно быстро сменяются представителями группы олиготрофов. Хроносерия подзолов демонстрирует явную дивергению бетаразнообразия микробиомов почв, что связано с формированием выраженных экологических ниш в соответствующих горизонтах различного генезиса. Таким образом, параметры микробиома могут быть использованы в качестве маркеров и параметров для оценки почвенно-экологической эффективности восстановительных мероприятий. http://appliedecology.ru/grant-rnf-dinamika-pochvennoj-bioty-v-xronoseriyax-posttexnogennyx-landshaftov/

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе отчетного периода проведены лабораторные метагеномные и метаболомные исследования проб почв, собранных на первом этапе выполнения проекта, а также осуществлены дополнительные полевые исследования в различных регионах Евразии.. Полевые исследования проведены на следующих объектах: Ленинградская область (серия карьеров по добыче известняков четвертичного происхождения с почвами возрастом от 1 до 70 лет и отбор фоновой дерново-карбонатной почвы, продолжены работы по изучению хроносерии валов Юго-Восточного Приладожья (территория Нижнесвирского заповедника, обнаружены валы более зрелого возраста, чем на предыдущем этапе, изучено пять разновозрастных валов, с возрастом приблизительно от 1500 до 5000 лет, пробы в настоящее время подвергаются радиоуглеродному анализу), Ямало-Ненецкий Автономный округ (окрестности г. Надым - лесотундровые ландшафты, нарушенные карьерными выработками по добыче песков и барханы тундровых песков, переотлагающиеся и не подверженные самозарастанию без рекультивационных практик), кроме того, изучена хроносерия почв, формирующихся на карбонатных щебнистых породах в р. Крым (лесостепное предгорье), а также почвы на отвалах карьеров по добыче глин и песков в окрестностях г. Симферополь и субтропические фоновые и нарушенные открытыми горными разработками почвы и экосистемы в р-не. Никитского ботанического сада. Исследованы также почвы различных рекультивацонных и рефорестационных практик тропического пояса (Кать-Тьен, Вьетнам). Продолжены исследования динамики развития биоты почв в послепожарных сукцессиях (Самарская область) и почв карьерно-отвальных комплексов в р-не г. Якутск. Для всех почв выполнены базовые химические и микробиологические анализы, а также определены метаболические параметры микробного сообщества (микробная биомасса, базальное и субстрат-индуцированное дыхание и метаболический коэффициент) и агрохимические параметры почв. В ходе метагеномного секвенирования ДНК почвенных объектов и изучения параметров альфа- и бетаразнообразия почвенного микробиома в регенерационных моделях почвообразования получены следующие результаты. Завершены исследования эволюции эмбриоподзолов и подзолов на ранних стадиях развития на примере хроносерии карьера по добыче песчано-гравийных материалов в Ленинградской области. Установлена корреляция таксономического состава микробиомов почв различного возраста с вертикальной дифферренциацией экологических ниш, в целом, соответствующих различными типа почвенных генетических горизонтов. Завершено исследование поздеголоценовой хроносерии развития подзолов от эмбриональной (70 лет) до климаксной (1590 лет) стадии, а также последующими изменениями в почвенном профиле, связанными с увеличением гидроморфизма и признаками вторичной демутации, было показано, что наибольшими значениями биомассы бактерий и грибов (по данным ПЦР в реальном времени) отличались органогенные горизонты, при этом на всех стадиях количество микроорганизмов закономерно уменьшалось при движении вглубь почвенного профиля. Анализ индексов разнообразия, напротив, демонстрировал существенное увеличение биоразнообразия в нижних (минеральных) горизонтах. Было показано, что с возрастом существенно увеличивается разница в составе и разнообразии микробиомов поверхностных и приповерхностных горизонтов с минеральными (иллювиальными). Отмечено доминирование в верхних горизонтах микробиомов, проявляющих копиотрофную экологическую стратегию. Был проведен количественный и качественный анализ структуры микробиомов в исследованных почвах в р. Крым. При этом глинистые карьеры показали наименьшие значения численности как бактерий, так и грибов среди всех сравниваемых образцов что свидетельствует о крайне низкой скорости регенерации подобного типа техноземов. Низкие значения численности грибного сообщества характерны для карьеров всех типов крымской лесостепи и указывают на отсутствие выраженного почвообразовательного процесса. Установлено, что таксономическое разнообразие сообществ коррелирует с данными количественной ПЦР: наименьшим разнообразием характеризуются образцы почвы карьеров по добыче глины, максимальным – почвы, где в качестве основы для почвообразовательного процесса выступает известняк. Проведенные исследования микробиома постпирогенных почв свидетельствуют об увеличении доли таксонов ассоциированных с деградацией веществ образующиеся после горения. Установлено, что, что верховой пожар оказывает меньшее влияние на почвенный микробиом, чем низовой. Кроме того, была показана большая зависимость полученных данных от исследуемого почвенного горизонта. Особенно сильно изменилось сообщество при низовом пожаре в промежуточном горизонте AC по сравнению с верхним и нижними горизонтами. Из полученных результатов, можно сделать вывод, что различия в структуре почвенного микробиома между горизонтами усиливаются после воздействия на почву низового пожара, что может отражать различную функциональную роль почвенных горизонтов при восстановлении после стрессового воздействия. Проведены исследования таксономической структуры микробиомов почв карьерно-отвальных комплексов в р-не г. Якутска. Установлено, что в составе микробиомов доминировали альфапротеобактерии р. Sphingomonas и Bradyrhizobium, а также сем. Chitinophagaceae (Bacteroidetes) и р. Candidatus Udaeobacter (Verrucomicrobia). Вероятно, обилие бактерий группы Bacteroidetes связано с наличием легкодоступного органического вещества, что позволяет предположить преимущественно копиотрофный характер данной группы. Экологические особенности бактерий филы Verrucomicrobia на сегодняшний момент еще недостаточно изучены, при этом доминирование данной группы в подповерхностных горизонтах почв позволяет сделать вывод об ослабленной конкуренции веррукомикробий в микробном сообществе и, следовательно, большей склонности данных бактерий к олиготрофному типу питания. В 2018 году нами были просеквенированы метагеномные библиотеки почвенной ДНК, полученные из верхних слоёв двух точек пробоотбора в карьере Малукса, находящиеся в наиболее активной фазе процесса почвовосстановления. Одна из точек представляет собой псаммозём серогумусовый, верхний горизонт AY которого представлен слегка уплотненным пронизанным корнями растений мелкоземом, агрегированным с детритными формами органического веществ. Возраст почвы в этой точке составляет около 20 лет. Вторая точка – эмбриоподзол, верхний горизонт (е) которого микроподзолистый с включениями корней. Возраст этой почвы около 30 лет. Секвенирование полного метагенома выявило наличие во всех исследованных пробах трёх доменов – Бактерий, Архей, Эукариот. Эукариоты представляли минорный компонент и включали представителей фил Ascomycota, Streptophyta, Chordata, Nematoda и Arthropoda. Остальные филы составляли менее 1% от общего количества эукариот. Среди архей доминировали филы Euryarchaeota и Crenarchaeota. Бактериальное сообщество было представлено 21 филой, самыми представленными из них были Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Chloroflexi, Acidobacteria и Cyanobacteria (В целом, эти данные соответсвуют данным, полученным секвенированием библиотек гена 16S рРНК. Горизонт AY из точки 2 отличался более высоким содержанием бактерий из фил Firmicutes, Chloroflexi, Planctomycetes и Cyanobacteria. Общий функциональный анализ последовательностей был проведён с помощью баз данных Subsystems. Основными предсказанными функциями последовательностей были метаболизм углеводов, аминокислот, белков, вторичных метаболитов и ДНК, а также мембранный транспорт, дыхание, синтез клеточных стенок и метаболизм РНК. Установлено, что отдельные ферменты представлены в единичных библиотеках, что может свидетельствовать о недостаточной глубине секвенирования. Показано, что микробные сообщества верхних горизонтов, хоть и представляют разные возрастные стадии зарастания нарушенных почв, на данный момент являются схожими как структурно, так и функционально. MG-RAST является современным и удобным инструментом для визуализации метагеномных данных. Полученная глубина секвенирования позволяет выявить наиболее значимые для исследуемого сообщества группы белков, изучение которых можно продолжить с использованием более узких подходов. На примере зарастающих гранитных карьеров в Фенноскандии и мраморного карьера в Карелии исследован таксономический состав биопленок и первичных почв (на разных этапах обрастания горных пород), определены доминирующие виды микроорганизмов (микромицетов и цианопрокариот), а также метаболомные профили для каждого типа наслоений. Выявлено, что по распределению метаболомных профилей первичные почвы на гранитах под сосудистыми растениями формировали единый кластер с первичной почвой со мхами и лишайниками. Темноокрашенные и зеленые корковидные наслоения обособлялись в отдельные кластеры и были достаточно близки по составу метаболитов. Наибольшая дисперсия образцов по составу метаболитов была характерна для пигментированных и светлоокрашенных плёнок, сросшихся с поверхностью камня. Построена статистическая модель, в которой точки, характеризующие метаболом первичной почвы, группируются в единый кластер, независимо от места отбора проб. Точки, характеризующие метаболом других типов сообществ, формируют обособленные кластеры. Корреляционная структура метаболомных данных указывает на определенные закономерности группировки биопленок, которые могут отражать различные этапы процесса почвообразования на зарастающих карьерах. Изучен таксономический состав микромицетов в арктических почвах, подвергающихся угольному и нефтяному загрязнению на архипелаге Шпицберген. Выделено 48 видов микроскопических грибов, принадлежащих к 27 родам и 3 отделам (абсолютное большинство принадлежит подотделу Ascomycotina). Показатели численности микромицетов в почвах с нефтяными загрязнениями колебалась в широких пределах, а в почвах с угольными загрязнениями они были более стабильными. Отмечена тенденция изменения численности микроорганизмов в ходе восстановительной сукцессии (хроносерии) на рекультивируемых участках, подвергавшихся угольному загрязнению. Пополнена коллекция культур микромицетов (более 100 штаммов). Цели и задачи проекта достигнуты и выполнены полностью.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период было продолжено исследование почвенных хроносерий в различных регионах России, а также на других континентах. Были отобраны и проанализированы с использованием метагеномных подходов образцы первичных почв, сформированных на отвалах карьерных комплексах в районе г. Уфа и Надым. Исследовано влияние антропогенного фактора на прокариотное сообщество первичных почвенных комплексов Антарктиды почв в районе станции «Прогресс». Был проведен сравнительный анализ таксономической структуры и разнообразия почв лесов заповедника Кать-Тьен (Вьетнам), при этом изучены закономерности в формированоии эпифитного микробиома подвешенных почв и нарушенных почв карьера по добыче песка и строительных материалов. Были завершены работы по комплексному анализу эволюции микробиомов в ходе экогенеза почв Малуксинского карьера. Данная хроносерия представляла собой репрезентативную пространственно-временную модель, реализующую последовательную смену этапов почвенного генезиса от «нуль-момента» (бежизненной породы, M1), накопления первичного органического вещества (М2), через стадию эмбриозема (М3) и до формирования профиля зональной почвы (М4-М5). В отчетном году был проведен интегральный анализ биоразнообразия с выделением корового (специфического микробиома), присутствующего на всех стадиях почвообразовательного процесса, и проведена оценка динамики микробиома по отдельным фенотипам по мере эволюции почвенного профиля для 50 бактериальных филотипов, встречающихся на всех пяти стадиях почвообразовательного процесса. Было определено также количество филотипов, наиболее характерных для каждой стадии экогенеза, при этом большая часть филотипов демонстрировали последовательные переходы между двумя или тремя стадиями почвообразовательного процесса. Были выявлены таксоны, формирующие микробный портрет верхних, средних и нижних почвенных горизонтов. Был проведен дифференциальный анализ пулов ДНК, РНК и экстрацеллюлярной ДНК (эДНК) в наиболее активной фазе подзолообразовательного процесса (образцы генетических горизонтов эмбриозема Малуксинского карьера), анализ проводили на уровне структурных отдельностей (макро- и микроаграгетов), и сравнивали с нефракционированной почвой. Отмечена достоверная разница в пулах ДНК и кДНК горизонтов Е и BF, при этом в пуле кДНК было диагностировано увеличение доли филотипов Proteobacteria и Actinobacteria (а также представителей филы Chloroflexi и архей Euriarchaeota в иллювиальном горизонте (BF)). В целом, разница в представленности таксонов по пулам была в большей степени выражена при сравнительном анализе фракционированной и нефракционированнной почвы, нежели между отдельными агрегатными фракциями. Однако часть филотипов (61) демонстрировали преимущественную приуроченность к фракции макро-(( бактерии сем. Solirubrobacteraceae(Actinobacteria), класса Acidimicrobiia (Actinobacteria) и рода Sphingomonas (Alphaproteobacteria)) и микроагрегатов (ацидобактерий (Pyrinomonadaceae), ризобий (Rhodoplanes) и Udaeobacter (Verrucomicrobia)). Отсутствие значимой разницы в составе пулов эДНК и ДНК клеточной фракции может объясняться высокой интенсивностью подзлообразовательного процесса и малым количеством органо-минеральной матрицы, следовательно, малым количеством сорбированной на ее поверхности внеклеточной ДНК. Был проведен анализ культивируемой части микробиома с выделением в чистую культуру ассоциаций целлюлозолитических микроорганизмов, присутствующих в метагеноме и, предположительно, принимающих активное участие в почвообразовательном процессе посредством трансформации органических соединений. Был проведен анализ полных метагеномов выделенных ассоциаций. Основными ферментами, принимающими участие в процессах трансформации целлюлозы и ее производных, и присутствующими во всех ассоциациях, были: альфа-(EC:3.2.1.20) и бета-глюкозидазы (E3.2.1.21), целлюлозо- 1,4-beta-целлобиодазы (ЕС 3.2.1.91), эндоглюканазы (ЕС 3.2.1.4). Также среди метаболических путей в некоторых ассоциациях были отмечены фосфорилазы целлобиозы. В таксономической структуре большинства ассоциаций доминировали актинобактерии, среди которых 97-99% занимали стрептомицеты. Два стрептомицета, на долю которых суммарно приходилось около 50% всех сиквенсов, были выделены в чистую культуру и подвергуты полногеномному анализу. На основании blast-анализа генов 16 S рРНК выделенных штаммов (№8 и №3) была определена их видовая принадлежность к Streptomyces albidiflavus и Streptomyces avidinii, соответственно. В метаболизме данных штаммов, согласно алгоритму MinPath, доминируют пути, ассоциированные с аэробным разрушением жирных кислот, синтезом пептидогликанов и путями деградации углеводов. Из генов, ассоциированных с целюлолитической активностью, было показано наличие гена эндо-бета-(1,4)-глюканазы(cenA, COG5297, EC 3.2.1.4) семейства 6 и его функционального аналога celA1(в штаммах 3 и 8), экзоглюконазы cbhA и cbhB(COG5297, EC 3.2.1.91, штамм 3), бета-D-глюкозидазы и целлобиазы bglA1 и bglA2(в штаммы 3 и 8), и две не аттрибутированных бета-D-глюкозидазы/фукозидазы(штамм 8). Данные белки являются одними из белков-индикаторов целюллолитической активности микроорганизмов. Стоит отметить большую представленность генов ассоциированных с целлюлолитической активностью в штамме 3, по сравнению со штаммом 8. Данные стрептомицеты могут быть, после проведения соответствующих дополнительных анализов, рекомендованы в качестве потенциальных компонентов биопрепаратов для ускорения темпов трансформации органических веществ в почвах и интенсификации почвообразования в нарушенных хозяйственной деятельностью ландшафтах в зоне подзолистых почв РФ. Был проведен анализ функциональной структуры микробиомов в наиболее активных фазах почвообразовательного процесса – на стадии формирования гумусо-аккумулятивного горизонта и стадии дифференциации подзолистого горизонта. Анализ полных метагеномов позволил выявить гены, участвующие в метаболизме соединений углерода и азота, на различных стадиях эволюции генетических горизонтов подзолистых почв Малуксинского карьера. Доминирующими процессами цикла углерода являлись распад природных полимеров – крахмала, целлюлозы и их производных (glgB, treS, malQ, amyA, malS, гены эндоглюканаз). Отмечено некоторое относительное увеличение в метагеноме горизонта Е генов, ответственных за синтез ксилозидаз (xynB), бета-гликозидаз (glucan 1,3-beta-glucosidase) и трегалаз (treA, treF), что может косвенно свидетельствовать о некотором сравнительном увеличении гидролитической активности в данном горизонте. Также в метагеноме данного горизонта было снижено разнообразие генов азотного цикла, в частности, ответственных, за интенсивность процессов диссимиляционной нитратредукции (nirB, nirA) и азотфиксации (nifH). В целом, в ходе третьего года проекта были освоены новые объекты (хроносерии), которые существенно расширили географию проводимых исследований, а также был разработан комплексный подход к детальному исследованию эволюциии микробиома, сопряженной с почвообразованием, который в будущем будет использован для исследования различных по происхождению почвенных экогенетических смен и позволит выявить еще более общие закономерности, лежащие в основе процессов педогенеза.