Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Изучены посттехногенные экосистемы карьерно-отвальных комплексов, которые представлены моделями развития, деградации, проградации и в целом – эволюции компонентов биогеоценозов во времени и пространстве в связи с положительной и отрицательной динамикой антропогенного воздействия. Основным объектом исследования послужили карьерно-отвальные комплексы Северо-западного региона РФ, который представляет особый интерес, поскольку здесь происходила чрезвычайно интенсивная добыча полезных ископаемых, преимущественно, открытым способом, это привело к формированию хронорядов разновозрастных почв с различными комбинациями субстратно-фитоценотических компонентов, что в итоге выразилось в формировании инвариантной имплементации почвообразовательного потенциала среды в моделях инициального педогенеза. Богатство Север-запада России четвертичными и дочетвертичными породами, которые выходят на поверхность или залегают близко от нее привело к тому, что антропогенная нарушенность территории, вызванная открытыми горными разработками в этом регионе выражена максимально. На отвальных пространствах осуществляются как природно-регенерационные, так и рекультивационные модели восстановления почвенно-растительного покрова, и соответственно – почвенного микробиома. Исследовано становление микробиома почв на различных отвальных субстратах: кембрийских и карбоновых глинах, массивно-кристаллических породах днищ гранитных карьеров, на отсевах дробления гранито-гнейсов, на известняках и доломитах различного генезиса, на терриконах угольных шахт, а также на отвалах, сложенных водноледниковыми песками. Спектр объектов исследования был расширен, так, были изучены инициальные почвы, формирующиеся на перевевающихся песках в Надымской районе ЯНАО, горные почвы под искусственными лесонасаждениеями Крыма,разнообразных карьерно-отвлаьных комплексах Кабрадино-Балкарии, а также антропогенно-трансформированные почвы субантарктического острова Кинг-Джордж. Выявлены доминирующие филумы микроорганизмов на различных стадиях инициального почвообразования, кроме того, определены ключевые агрохимические параметры почв, определена устойчивость органического вещества почв к минерализации в лабораторном эксперименте, изучена структура гуминовых вещество почв методом ядерного магнитного резонанса, проведены микроморфологические исследования микромонолитов почв. Одним из значимых результатов проекта в текущем году стал биоинформатический анализ данных по распределению микроорганизмов в масштабах почвенного профиля на примере хроносерии Малуксинского карьера по добыче песка, который состоял в определении корового компонента сообщества, составляющего его «ядро» на каждой стадии сукцессии, а аксессорного компонента, динамически меняющего свою представленность в сообществе с течением времени. Таким образом были созданы инструменты для анализа коэволюции почвенного профиля и микробиома. По результатам анализа сети совместной встречаемости было выявлено 5 кластеров, объединяющие микроорганизмов, коррелирующих между собой по численности и представленности в почвенном профиле во времени. Первая относительно большая группа, демонстрирующая резко противоположный другим группам паттерн, включала ОТU, принадлежащие бактериям: RB41 (Acidobacteria), Xanthobacteraceae (Alphaproteobacteria), Arthrobacter (Actinobacteria), Ellin6067 (Gammaproteobacteria), KD 496 (Chloroflexi), MND1 (Betaproteobacteria), MND1 (Betaproteobacteria). , Gammaproteobacteria), Stenotrophobacter (Acidobacteria), Myxococcales (Deltaproteobacteria), Gaiellales (Acidobacteria), Comamonas (Betaproteobacteriales, Gammaproteobacteria), Ideonella и Variovorax (Burkholderiaceae, Betaproteobacteriales, Gammaproteobacteria), а также археям из семейства Nitrososphaeraceae (Thaumarchaeota). Второй кластер включал представителей Xanthobacteraceae (например, Bradyrhizobium, Alphaproteobacteria), Pseudomonas (Gammaproteobacteria), WD260 (Gammaproteobacteria), RCP-2-54 (Deltaproteobacteria) Solirubrobacteraceae (Actinobacteria), Chtoniobacteraceae (Verrucomicrobia), Chitinophagaceae (Bacteroidetes) и Acidobacteria subgroup2. Также было обнаружено 3 небольших кластера. Первый включал бактерий из родов Massillia (Burkholderiaceae, Betaproteobacteriales, Gammaproteobacteria) и Rhizobium sp. (Alphaproteobacteria). Второй состоял из филотипов идентифицированных как Beierinkiaceae (Alphaproteobacteria) и Subgroup 6 (Acidobacteria). Третий включал филотипы, принадлежащие TK 10 (Chloroflexi), Chtoniobacteraceae (Verrucomicrobia, 2 OTUs), Subgroup 2 (Acidobacteria, 2 OTU), Gemmatimonadaceae (Gemmatimonadetes) и AD3 (Chloroflexi). В соответствии с тенденциями накопления тех или иных таксонов в конкретных почвенных горизонтах было обнаружено несколько групп таксонов: первая из них была обнаружена исключительно в минеральных горизонтах BC-C зрелой почвы, вторая группа таксонов накапливалась в верхних слоях почвы и в нижней части почвенного профиля - в зонах активного роста корней, и третья группа превалировала в гумусаккумулятивном горизонте BF зрелой почвы. Первая группа включала Myxococcales, MND1, Xanthobacteriaceae (Proteobacteria), KD 4-26 (Chloroflexi); во вторую группу вошли представители Xanthobacteriaceae, Bradyrhizobium, WD260, Burkholderia multivorans (Proteobacteria), Solirubrobacteriaceae, Subtercola sp. (Актинобактерии), Chitinophagaceae (Bacteroidetes), Acidobacteriales (Acidobacteria); и третья группа включала неидентифицированных представителей царства архей, а также бактерий из таксонов Subgroup 2, RB41 (Acidobacteria), Massilia sp., Beijerinckiaceae, IS44 (Proteobacteria), Candidatus Udaeobacter (Verrucomicrobia), TK10, AD3 (Chloroflexi), Gemmatimonadaceae (Gemmatimonadetesa). Таким образом, в быстроразвивающейся модели эволюции почв (на водноледниковых песках) быстро изменяется состав микробиома, в том числе и в различных горизонтах. Иной тренд наблюдается в случае хроносерии почв, развивающихся на карбонатных отвалах (Ижорская возвышенность, Ленинградская обл.). Исходный набор OTU за весь период почвообразования остается неизменным, формируя более 98% всего микробиома в каждый момент времени. Это можно объяснить тем, что на начальном этапе почвообразования происходит инокуляция исходного минерального материала всем набором микробиома, перенесенным из соседних эталонных участков почвы, вероятно, аэрозолями. Несмотря на первоначальное сохранение набора OTU в течение всего хронологического ряда, анализ бета-разнообразия продемонстрировал дифференциацию микробиомов всех временных точек. Анализ статистически значимых изменений численности таксонов показал, что наиболее существенные различия наблюдаются у Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria и Actinobacteria, но большинство этих типов имеют различные наборы OTU, демонстрирующие противоположные тенденции (увеличение и уменьшение в процессе почвообразования). Эти таксоны рассматриваются как ответственные за ключевые процессы восстановления почв на всех этапах начального почвенного онтогенеза. Микробиом карбонатных почв во всех случаях первичных и новообразованных почв схож благодаря единым зональным экологическим условиям в геохимически специфическом ландшафте Ижорской возвышенности. Проведено изучение структуры и разнообразия прокариотных сообществ почв в результате искусственного культивирования лиственницы на горно-луговых почвах Крыма. Формирование древостоя лиственницы привело к увеличению разнообразия прокариотного сообщества и стратификации его по глубине. Подкисляющий эффект лиственничного опада проявился в увеличении доли и разнообразия ацидобактерий, уменьшении бактерий филумов Verrucomicrobia, альфапротеобактерий пор. Rhizobiales и Burkholderiales, и одновременным сравнительным увеличением обилия олиготрофных микроорганизмов филумов Chloroflexi, Firmicutes. Отсутствие четко выраженных доминант в составе прокариотного сообщества, а также существенное увеличение индексов альфаразнообразия, по сравнению с контрольным участком нативной горно-луговой почвы под покровом зональной луговой растительности, позволил предположить, что почвенный микробиом в экосистеме искусственных лесопосадок имеет переходный характер. Была охарактеризованы таксономическая структура и биоразнообразие природных и антропогенно-нарушенных субантарктических почв. В целом набор доминирующих фил был аналогичен набору микробиомов почв умеренных широт, однако структура характеризовалась своей определенной уникальностью, что выражалось в присутствии таксонов (цианобактерий), характерных для начальных стадий почвообразования. Несмотря на то, что взаимосвязь физико-химических свойств и структуры почвенного микробиома не была определена статистически, были выявлены специфичность и некоторые общие тенденции. Наиболее выраженное влияние оказывало содержание в почве органического вещества и биофильных элементов, в частности, С и N, в то время как орнитогенный фактор оказывал менее существенное воздействие. http://appliedecology.ru/opublikovany-novye-stati/ https://tass.ru/v-strane/10091239

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Анализ таксономического состава микробиома почв зонального ряда и антропогенных первичных почв в разнообразных климатических условиях – основная задача всего проекта и последнего года выполнения проекта. Ранее основное внимание уделялось почвам бореального климата и почвам северной части суббореального пояса. Были изучены также микробиомы почв полярного и тропических поясов. В ходе отчетного периода была существенно дополнена зональная последовательность природных и антропогенных почв на территории Восточно-Европейской равнины. Так, были изучены почв средней тайги и тундры в пределах респ. Коми и почвы Кабардино-Балкарской респ. и Ставропольского края. Они завершили северную и южную часть в процессе изучения зонального ряда природного почвообразования и регенерации почвенно-растительного покрова на территориях карьерно-отвальных комплексов. Завершены, также, исследования микробиома первичных почв на отвалах угольных шахт на архипелаге Шпицберген. В ходе выполнения проекта установлен коровый состав микробиома фоновых почв природных экосистем различных природных зон и почв, формирующихся в постатропогенных и посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов и горнорудных предприятий. Получены, также, данные о составе минорных филумов микроорганизмов. Полученные данные формируют картину о микробиологических пререквизитах рекультивации и саморегенерации почв. Установлены составляющие микробиомов основных типов почвенных горизонтов в процессе развития экогенетической и постпирогенной сукцессии. Выявлена роль микробиома потенциально плодородных слоев почвы, используемых для рекультивации отвалов в засушливых районах в быстрой колонизации субстратов с низкой водоудерживающей способностью. Сравнение контрастных хроносерий почв в пределах одной природной зоны позволило установить, что дифференциация почв на горизонты на различных типах отвальных пород сопровождается различными трендами развития микробиомов. Так, в случае хроносерии подзолов профильная межгоризонтная дифференциация микробиома происходит довольно быстро, на стадии эмбриоподзола (30-70 лет), наблюдается диверсификация микробиома по группам горизонтов (почвообразующие породы, элювиальные и иллювиальные горизонты, органогенные и гумусовые горизонты). Таким образом, в быстрой модели почвообразования временная динамика таксономического состава микробиома проявляется довольно интенсивно, что свидетельствует, о том, что в общих чертах, каждому генетическому горизонту соответствует определенный состав микробиома. Таким образом, генетические горизонты являются не только генетическими в смысле происхождения, но и в смысле своеобразия генетической информации, связанной с микроибомом. Другая хроносерия – карбонатных почв, формирующихся в той же природной зоне показывает совершенно иной тренд динамики микробиоты. В почвах всех стадий хроносерии, включая фоновую почву (рендзину) таксономический состав микробиома сопоставим, отличаются лишь некоторые параметры биоразнообразия. Таким образом, литорефлекторность почв, определяющая скорость элементарных почвенных процессов, существенно влияет на скорость дифференциации микробиомного профиля почв. Эти данные должны быть учтены для разработки технологий и технологических регламентов восстановления почв с учетом разнообразия инвариантных моделей комбинаций геогенных свойств (вещественный, минералогический и химический состав отвалов, формы техногенного неорельефа) и биоклиматических условий (влаго- и теплообеспеченность, биотические ресурсы). Если в настоящее время отчасти решена прямая задача – связи факторов почвообразования и скорости педогенеза и таксономического состава микробиома, то в будущем необходимо решение более сложной задачи – анализ тех таксонов микроорганизмов, которые выступают в качестве драйверов тех или иных элементарных почвообразовательных процессов. Проведены, также, исследования микробиомов почв карьерно-отвальных комплексов и амфибиальных посттехногенных почв гидроотвалов и днищ сезонных техногенных водоемов в пределах респ. Башкирия. Эта динамическая модель, в которой субаквальные стадии педогенеза чередуются с субаэральными интересна с точки зрения изучения формирования стрессоустойчивости микробного сообщества в условиях контрастных водных режимов, которые нередко характерных для отвальных местообитаний. Полученные данные необходимо учитывать при проектировании почвенно-грунтовых работ в ходе формирования гидроотвалов и проведении воднохозяйственной рекультивации. Установлено, что рекультивация отвалов с помощью плодородных слоев почвы или потенциально плодородных слоев отвальных пород способствуют формированию микробиома, существенным образом отличающегося от такового в почвах, сформированных на минеральных породах в условиях самозарастания. При этом различия между указанными вариантами становятся более выраженным в степных ландшафтах, чем в таежных и тундровых. Это связано не только с трофическим режимом в условиях повышенной гумусированности, но и с ролью гумуса в формировании водоудерживающей способности почв. Таким образом, для запуска интенсивных метаболических процессов в почвах семиаридного климата необходимо резкое повышение содержания углерода органических веществ на поверхности отвалов. В случае самозарастания отвалов в более влагообеспеченных регионах подобные мероприятия не являются столь неотложными, поскольку экогенетическая сукцессия и саморекультивация может запускаться самостоятельно в краткие сроки. Выполнена также одна из ключевых задач последнего года выполнения проекта – кроме высокопроизводительного секвенирования второго поколения (Illumina) впервые для первичных почв отвалов была применена технология секвенирования третьего поколения на приборе Oxford Nanopore MinION (ONT) с целью таксономического анализа почвенной микробиоты. Более глубокое секвенирование позволяет подойти к таксономическому анализу состава микробиома более обстоятельно. Предварительные данные свидетельствуют о том, что новая технология дает более детальные данные, но в связи с тем, что большинство современных данных для подобных объектов получено с использованием предшествующих подходов, ключевые хроносерии почв каждой природной зоны и фоновые почвы природных экосистем должны быть изучены с помощью обеих методических схем. Впервые получены данные о составе метапротеома первичных почв с помощью специально разработанной методики. Получены данные о составе белков и принадлежности их разнообразным филумам микроорганизмов. Установлено, что антропогенно-нарушенные почвы могут быть идентифицированы, в том числе и по компонентному составу белков. Получены сведения о метапротеоме нескольких контрастных сценариев почвовосстановления и создан метапротеомный портрет почв. Завершены комплексные исследования сообществ микромицетов первичных разновозрастных почв, формирующихся в полярных и боеральных экосистемах. Изучены культивируемые и некультивируемые формы, проведен анализ динамики представленности родов микромицетов на различных возрастных стадиях первичного почвообразования.