Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате скрининга коллекции термофильных железоредукторов отобраны бактериальные штаммы родов Carboxydothermus и Thermincola, способные образовывать крупные (2 мкм) кристаллы магнетита. Бактерии характеризуются монодермным строением клеточной стенки и способны к росту и восстановлению избытка синтезированного ферригидрита (СФ). Образование кристаллов магнетита наблюдается при нейтральном рН, температуре 50-550С и общей минерализации среды 2-5 г/л. Кристаллы характеризуются блочно-мозаичной структурой, гексаэдрическим габитусом изометричного облика и формированием двойников, что свидетельствует о крайне высоких скоростях их роста. Выявлено, что термофильные монодермные бактерии порядка Anaerosomatales, выделенные из водоносных горизонтов региона Кавказских минеральных вод, Горячинских щелочных терм и лечебных грязей озера Тамбукан, не способны к образованию магнетита и роста с избыточным СФ. В рамках исследования процессов использования Fe(II) или Fe(0) в качестве донора электронов алкалофильными бактериями получены устойчивые накопительные культуры, развивающиеся в высокоминерализованных карбонатных средах при рН 9.5, в присутствии СФ и сидерита, добавленного в качестве донора электрона. Подтверждена способность к росту на смеси ферригидрит-сидерит чистых культур алкалофильных бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus и Dethiobacter alkaliphilus. Завершены эксперименты, демонстрирующие способность G. ferrihydriticus корродировать стальную проволоку в автотрофных условиях, по реакции в которой металлическое железо является донором электронов, а протоны – акцептором. Полученные результаты впервые демонстрируют возможность использования протонов в процессах микробно индуцированной анаэробной коррозии (статья получила положительную рецензию в журнале Applied and Environmental Microbiology). В рамках партнерской работы с БФУ им. И. Канта проведена работа с коллекционным материалом железо-марганцевых конкреций (ЖМК) и подстилающих осадков, отобранным ранее в Балтийском и Карском морях. Создана единая информационная база по коллекции образцов ЖМК, проведен анализ пространственного распространения ЖМК, построены схемы с выделением районов обнаружения ЖМК. Выполнена морфотипизация образцов ЖМК, установившая, что основными морфотипами Финского залива Балтийского моря являются сфероидальные и дискоидальные ЖМК, а для Карского моря характерны чашебразные, сфероидальные и корковидные (корки) ЖМК. Выбраны наиболее представительные образцы для дальнейшего детального изучения. Проведено литологическое описание подстилающих осадков, включая определение соотношения биогенной и терригенной компонент, исследование вещественного состава в мазках, определение гранулометрического состава, расчёт среднего размера частиц и коэффициента сортировки. Показано, что ЖМК Балтийского и Карского морей залегают преимущественно на плохо сортированных терригенных песках, силтистых песках и песчанистых силтах. С помощью метода мёссбауэровской спектроскопии определены основные железосодержащие фазы ЖМК. При исследовании наличия связи между литологией подстилающих осадков и типами ЖМК выявлено, что формирование изученных конкреций, скорее всего, связано с окислительно-восстановительной обстановкой диагенеза и не имеет явных корреляций с литологией подстилающих осадков. Проведенный анализ филогенетического разнообразия микробных сообществ ЖМК, подстилающих осадков и придонной воды Балтийского моря выявил широкое разнообразие этих сообществ и большую долю филотипов некультивируемых бактериальных таксонов в них. Выявлено, что микробные сообщества ЖМК и донных осадков в большей степени связаны связаны между собой, чем с сообществами придонной воды. С другой стороны, обнаружены филотипы, характерные только для ЖМК, большинство из которых относится к некультивируемым таксонам, что требует проведения метагеномных исследований для выяснения их метаболических возможностей и установления их роли в формировании ЖМК. Из известных таксонов в ЖМК отмечено накопление филотипов Rhodomicrobium, Sulfuricaulis, Methyloligellaceae, Candidatus Nitrosoarchaeum, Nitrospira. Доля филотипов, относящихся к таксонам, представители которых связаны с циклами железа и/или марганца, в исследованных микробных сообществах невысока. Заметную роль в сообществах играют филотипы, относящиеся к роду Rhodomicrobium, представители которого способны к фототрофному окислению Fe(II). Одним из самых распространенных родов, способных к восстановлению Fe и Mn, оказался Geopsychrobacter. Среди потенциальных Mn-окислителей обнаружены некультивируемые представители Arcobacter (Campylobacterales) и Pseudomonas (Pseudomonadales). Засев на селективные среды с минералами железа позволил получить первичные накопительные культуры психрофильных микроорганизмов, способных развиваться в заданных условиях. Дальнейшее исследование позволит выявить их роль в трансформации минералов железа. Методом ЦВА выявлены потенциалы, оптимальные для прямого и обратного внеклеточного переноса электронов (ВПЭ) у C. ferrireducens. Для электрогенных биоплёнок G. ferrihydriticus выявлен ранее не описанный оптимум этого процесса при 0 – -50 мВ, а также новый процесс использования растворимого хелата Fe(III) в качестве медиатора ВПЭ. Для выявления сходства и различий механизмов обмена электронами с минералами Fe и электродами разработан алгоритм автоматического поиска генетических детерминант этих процессов с использованием самостоятельно созданной базы данных о генах и ферментах с экспериментально доказанным участием в ВПЭ. Разработанный алгоритм выявил единичные различия в наборах генов мультигемовых цитохромов в парах монодермных и дидермных железовосстанавливающих бактерий с различной электрогенной активностью. Методом электрохимического импеданса определены ёмкость и внутреннее сопротивление электрохимической ячейки с биоплёнкой C. ferrireducens. Для биоплёнок G. ferrihydriticus выявлено дополнительное релаксационное время рабочего электрода, подтверждающее что редокс-пара комплекса Fe2+/Fe3+-ЭДТА может выступать в роли медиатора ВПЭ. План работ дополнен проведением многомесячного эксперимента по использованию лабораторного осадочного микробного топливного элемента (МТЭ) для очистки нефтезагрязнённой почвы от углеводородов с низким выходом СО2 и генерации электрического тока для питания автономного радиодатчика температуры, влажности и концентрации СО2 (статья в журнале Микробиология). С учётом этого успешного опыта, разработан и опробован в полевых условиях на базе Беломорской биостанции МГУ подводный осадочный МТЭ для автономного питания радиобуя. Проведена подготовка к снятию 25-летнего эксперимента по моделированию трансформации ферригидрита и глинистых минералов микрокосмом ультрапресного водоёма, имитирующего железисто-кремнистую систему докембрия.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все поставленные в подотчетный период задачи были успешно выполнены. На основе созданной нами курируемой базы наиболее вероятных детерминант внеклеточного переноса электронов (ВПЭ) разработан алгоритм их выявления в (мета)геномах, успешно опробованный для детекции прокариот, способных к ВПЭ, в составе быстрорастущих ЖМК Балтийского моря, а также для выявления детерминант ВПЭ у культивируемых представителей пор. Anaerosomatales, р. Thermincola и сем. Melioribacteraceae. Разработан метод культивирования экстремофильных железоредукторов на биоанодах при электрохимических потенциалах ферригидрита, магнетита и сидерита, что позволило получить электроактивные биоплёнки бактерий родов Thermincola, Melioribacter и Geoalkalibacter и охарактеризовать их электрокаталитические свойства. Выявлено влияние примесей тяжёлых и редокс-активных металлов на рост Thermincola (штамм GK1) на синтезированном ферригидрите (СФ). С применением реактивов FeCl3 8-ми разных производителей для синтеза ферригидрита показано, что ингибирование роста бактерии вызвано примесями Cr, Mn, Ni, Ga, Mo, W, Pb. Работы с экстремофильными железоредукторами дополнены экспериментами по получению и характеристике накопительных и чистых культур алкалотермофилов. Первая чистая культура (штамм Z-T1G24) этой новой физиологической группы, является представителем нового класса в филуме Bacillota. Показано, что в накопительных культурах алкалотермофильных железоредукторов из терм Байкальской рифтовой зоны преимущественно развивались ранее неизвестные представители филумов Bacillota и Actinomycetota. Продолжена работа по изучению быстрорастущих железо-марганцевых конкреций (ЖМК) Балтийского моря. Геохимический анализ выявил отсутствие связи между их элементным составом и морфологией, но позволил выделить 2 типа ЖМК - обогащённые Fe или Mn. Сравнительный анализ химического состава ЖМК и подстилающих осадков выявил высокую эффективность концентрационной функции конкреций по Mn и Fe. Минералогический анализ показал, что характерными минералами Mn являются бернессит и бузерит, минералы Fe представлены, в основном, ферригидритом, значительную долю составляет терригенный обломочный материал. Морфологическое различие конкреций обусловлено их текстурно-структурными особенностями и условиями роста - уплощённо-дискоидальные ЖМК характеризуются обязательным наличием крупного литологического ядра, в то время как в сфероидальных ЖМК ядро отсутствует, что обеспечивает их радиальный рост и характерную морфологию. Микробиологические исследования ЖМК велись по двум направлениям. В результате метагеномного анализа были собраны 228 композитных геномов (MAGs) с полнотой сборки ≥ 80% для отдельных представителей микробных сообществ из 6-ти коллекционных образцов ЖМК. Предсказаны таксоны, обладающие генетическими детерминантами восстановления или окисления нерастворимых форм железа, а также других процессов ВПЭ. В экспедиции 2025 года на НИС “Академик Борис Петров” собрана коллекция свежих образцов ЖМК, подстилающих осадков, поровой и придонной воды. Из них с органическими субстратами и СФ получено 12 активных накопительных культур психрофильных железоредукторов, для которых был определен таксономический состав. Охарактеризован также состав многолетних психрофильных накопительных культур, полученных из коллекционных проб балтийских ЖМК 2021-го г. с минералами Mn. В результате сравнительного филогенетического анализа выявлено увеличение представленности микроорганизмов, способных к ВПЭ, в многолетних культурах. Способность к ВПЭ предсказана с использованием разработанного de novo алгоритма быстрой оценки вероятности наличия этой способности у филотипов, выявляемых при филогенетическом профилировании микробных сообществ. Продолжено изучение электрокаталитических свойств железоредукторов. Методом циклической вольтамперометрии (ЦВА) выявлены пики генерации электрического тока биоплёнками монодермной бактерии T. ferriacetica и дидермной M. roseus при моделировании потенциалов ферригидрита и магнетита. Результаты ЦВА показали существенные различия электрогенных свойств этих двух термофильных железоредукторов. Их электроактивные биоплёнки были охарактеризованы методом спектроскопии электрохимического импеданса, который показал, что электроны, генерируемые железоредукторами, пересекают межфазную границу минерального катода и восстанавливают контактирующий с ним минерал в отсутствии прямого контакта с клетками. В продолжение работ по исследованию практической применимости психрофильных электроактивных микробных сообществ была модифицирована конструкция модельного метеобуя, подключенного к полевому осадочному МТЭ на Беломорской биостанции МГУ. На аноде МТЭ зафиксировано селективное накопление бактерий рода Candidatus Tenderia и семейства Geopsychrobacteraceae. Экономическая востребованность автономных метеоустройств в арктическом регионе делает актуальным развитие этих работ. Разработана методика послойного вертикального редокс-профилирования донных отложений, основанная на применении установки из двух сегментированных электродов – биоанода и кислородного катода, успешно опробованная в полевом эксперименте в источнике Солнечный (кальдера Узон). Определена динамика накопления разности потенциалов, обусловленная селективным накоплением электроактивных прокариот на анодах. В полевой установке впервые получены in situ накопительные культуры электроактивных термофилов, которые затем были использованы для культивирования в электрохимических Н-ячейках в лаборатории. Из них получены накопительные культуры, обеспечивающие стабильную генерацию электрического тока, содержащие значительные доли потенциальных электрогенов родов Carboxydocella, Carboxydothermus и Desulfotomaculum. Результаты первичных молекулярно-экологического, химического, физического и минералогического анализов образцов, отобранных в колонке 25-летнего эксперимента по моделированию трансформации СФ и глинистых минералов, показали полную оправданность применения междисциплинарного подхода. Выявлено, что микробные сообщества осадка колонки представляют уравновешенную разнообразную микробную популяцию без ярко выраженных доминирующих таксонов, основную долю которой составляют неизвестные ранее бактериальные таксоны уровня от семейства до филума. Томографический и элементный анализ показал, что тонкая слоистость и плотные включения в осадке обусловлены накоплением Mn, что является неожиданным результатом, объединяющим 2 задачи проекта. По сути, в колонке наблюдался процесс образования ЖМК. Полученные данные показали, что долгосрочные эксперименты позволяют получить уникальные консорциумы неизвестных ранее бактерий, что дает надежду на выделение чистых культур, а также определение их функциональных возможностей путем метагеномных исследований.