Микробные сообщества цикла метана в континентальных водоемах России в условиях глобальных климатических изменений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-14-00038

НазваниеМикробные сообщества цикла метана в континентальных водоемах России в условиях глобальных климатических изменений

Руководитель Пименов Николай Викторович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология

Ключевые слова микробные сообщества, пресные и минерализованные водоемы, цикл метана, глобальное изменение климата, эвтрофикация водоемов, метаногенез, окисление метана

Код ГРНТИ34.27.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование структуры, активности и биоразнообразия микробных сообществ, участвующих в биогеохимическом цикле метана и сопряженных с ним циклах серы и азота в континентальных пресных и минерализованных водоемах с целью выявления и прогнозирования последствий глобальных климатических изменений на водные экосистемы России. Антропогенная активность и связанные с ней глобальные климатические изменения воздействуют на водные экосистемы, приводя к изменению структуры микробных сообществ и, как следствие, к изменению осуществляемых ими процессов трансформации основных биогенных элементов (углерода, серы и азота). Территория России расположена в арктическом, субарктическом, умеренном и субтропическом климатических поясах. Наиболее сильно подвержены климатическим изменениям континентальные водоемы Арктики и субарктической зоны России. В ответ на глобальное потепление происходит таяние вечной мерзлоты, изменение гидрологического режима и формирование термокарстовых озер. Важным следствием таяния вечной мерзлоты является высвобождение захороненного в ней органического вещества, микробное разложение которого индуцирует метаногенез и рост эмиссии парниковых газов (CO2 и CH4) из северных широт. Многие термокарстовые озера характеризуются высокими скоростями эмиссии метана, и в них предполагается дальнейшее увеличение интенсивности метаногенеза за счет современных процессов разложения постепенно оттаивающего органического вещества, а также высвобождение метана из газонасыщенных пород тающей вечной мерзлоты. Несмотря на то, что вечная мерзлота подстилает 65% территории России, а в последние годы фиксируется усиление процесса термокарста с образованием новых многочисленных термокарстовых котловин, известно крайне мало биогеохимических и микробиологических исследований российских термокарстовых озер. Нами в рамках проекта РНФ 2019-2020 гг (№16-14-10201) выполнено первое в России комплексное исследование микробных процессов цикла метана в термокарстовых и полигенетических озерах Ямальского полуострова, выявлены различные пути метаногенеза, а также интенсивное аэробное и анаэробное окисление метана. Однако, несмотря на наши усилия и усилия иностранных ученых, механизмы и микроорганизмы, обеспечивающие анаэробное окисление метана (АОМ) в термокарстовых озерах с низким содержанием сульфата, все еще не установлены. В рамках предлагаемого проекта планируется продолжить сравнительное исследование динамики состава и активности микроорганизмов цикла метана в Ямальских озерах. Актуальной задачей является выявление микроорганизмов и их ассоциаций, участвующих в АОМ, которые играют важную роль в снижении эмиссии метана из этих озер. Новыми объектами исследований будут пресные субарктические озера преимущественно гляциального генезиса Архангельской области. Особенностью озер является высокое содержание марганца, железа и гуминовых кислот, поэтому данные озера являются удобной моделью для изучения роли этих соединений в процессе АОМ. С помощью метагеномного анализа будут реконструированы возможные пути углеродного и серного метаболизма некультивируемых линий микроорганизмов, функциональная роль которых в сообществе неизвестна. Научная и практическая значимость этих исследований заключается как в необходимости понимания временной динамики функционирования микробных сообществ в условиях низких температур, так и возможности в перспективе управлять микробными процессами цикла углерода (эмиссией парниковых газов) в условиях глобальных климатических изменений. Для умеренных широт основная опасность антропогенного влияния и климатических изменений заключается в эвтрофикации водоемов. Избыточное поступление органических веществ и повышение температуры воды приводит к образованию в озерах бескислородного придонного слоя, смене доминирующих групп микроорганизмов с аэробных на анаэробные, результатом чего становится эмиссия в атмосферу парниковых и токсичных для большинства живых организмов газов (H2S, СО2, N2O, CH4). Озеро Сенеж (Московская область) выбрано в качестве примера типичного пресного водоема с низким содержанием сульфатов, расположенного в зоне умеренного климата. На озере выполнена предварительная оценка потенциальных скоростей метаногенеза и метанокисления в зоне литорали, охарактеризовано разнообразие микробного сообщества придонной воды и осадков. Другими объектами исследований в умеренной климатической зоне России будут служить карстовые озера карбонатно-сульфатного типа Большой и Малый Кичиер (респ. Марий Эл), в которых наблюдаются активные микробные процессы циклов метана и серы. Несмотря на достаточно хорошую изученность этих озер, исследований микробных сообществ цикла метана, а также их геохимической роли ранее в этих озерах не проводилось. Объектами исследований в зоне резко континентального климата станет водная система Приэльтонья, включающая гиперминерализованное оз. Эльтон и впадающие в него реки с градиентом естественной минерализации от 7 до 280 г/л, а также щелочные озера Кулундинской степи (Алтайский край) с разным уровнем минерализации. Гидрологический и гидрохимический режимы Кулундинских озер подвержены циклическим колебаниям «многоводья» и «маловодья», распреснения и засоления, температуры и рН. Помимо годовых циклов, отражающих климатические изменения в течение года, для таких озер известны и многолетние циклы различной протяженности, которые нами активно изучаются в настоящее время. Высокое содержание сульфатов, хлоридов и карбонатов приводят к формированию в минерализованных озерах специфических экстремофильных микробных сообществ. Основными микробными процессами являются оксигенный фотосинтез, фиксация азота и метанокисление в циано-бактериальных матах, сульфидогенез и сероокисление, ацетогенез, метаногенез и АОМ. Данные процессы в высокоминерализованных озерах активно изучаются, в том числе и российскими учеными. Недавние исследования показывают, что все изученные цианобактерии, диатомовые водоросли и гаптофиты, которые являются основными составляющими пресноводного и морского фитопланктона, выделяют метан во время фотосинтеза. Поэтому актуальной задачей является исследование цианобактериальных матов минерализованных водоемов с целью выяснения их участия в аэробном метаногенезе. Фундаментальный интерес представляет сравнение микробных сообществ пресных, слабо- и экстремально минерализованных озер на предмет выявления микроорганизмов, способных к существованию в условиях значительных колебаний солености. И наконец, многочисленные водоемы на территории России расположены в горных районах Кавказа и Алтая. Высокогорные озера России ранее не изучались с точки зрения микробной экологии. Здесь внимание будет направлено на исследование микробных сообществ пресных высокогорных озер моренного и ледникового генезиса, в которых температура воды круглогодично поддерживается на низком уровне. Результатом климатических изменений в высокогорных областях является интенсивное таяние ледников и связанное с этим постоянное охлаждение ледниковых озер в летний сезон, поэтому важным представляется сравнение активностей процессов и состава микробных сообществ холодных высокогорных озер с озерами арктических широт. В распоряжении коллектива имеется необходимое оборудование, позволяющее на современном уровне выполнять полевые и лабораторные исследования биоразнообразия и геохимической активности микробных сообществ. При исследовании озер будет использован единый комплекс физико-химических, микробиологических, радиоизотопных, изотопно-геохимических и молекулярных методов, что позволит стандартизировать процедуры пробоотбора, пробоподготовки, измерений и обработки данных для разных объектов, провести корреляционный анализ, выявить общие закономерности и основные различия в активностях процессов и составе сообществ. Это в совокупности позволит оценить геохимическую активность и микробное биоразнообразие континентальных водоемов, расположенных в различных климатических зонах России. Большое внимание в работе будет уделено использованию методов высокопроизводительной геномики (секвенирование фрагментов гена 16S рРНК и метагеномный анализы), что позволит выявить основные группы присутствующих в озерах бактерий и архей, в том числе некультивируемых линий, реконструировать возможные пути их углеродного и серного метаболизма. В рамках настоящего проекта будут продолжены исследования выявленных в озерах некультивируемых линий микроорганизмов и определение их функциональной роли в сообществе. Выяснение функциональной роли новых некультивируемых микроорганизмов в пресных и минерализованных водоемах внесет вклад в оценку биоразнообразия природных объектов России. Поставленная задача для высокогорных пресноводных озер России является абсолютно новой. Результаты исследований будут иметь важное эколого-практическое значение, поскольку позволят спрогнозировать и смоделировать долгосрочные климатические воздействия и их последствия на территории России. По результатам исследований будет подготовлено 9 публикаций.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Самылина О.С., Меркель А.Ю., Пименов Н.В. Суточная динамика метана в цианобактериальном сообществе содового озера Горчина 1 (Кулундинская степь, Алтайский край) Микробиология (Microbiology) (год публикации - 2023)

2. Каллистова А.Ю., Коваль Д.Д., Кадников В.В., Тощаков С.В., Юсупов С.К., Изотова А.О., Виноградова Е.Н., Зеккер И., Пименов Н.В. Methane cycle in a littoral site of a temperate freshwater lake Микробиология (Microbiology) (год публикации - 2023)

Публикации

1. Каллистова А.Ю., Косякова А.И., Русанов И.И., Кадников В.В., Белецкий А.В., Коваль Д.Д., Юсупов С.К., Зеккер И., Пименов Н.В. Образование метана в пресном озере умеренного пояса в период интенсивного цветения цианобактерий. Микробиология/Microbiology, русская версия - Микробиология. 2023. Т. 92. №5. С. 477-489. DOI: 10.31857/S0026365623600256; английская версия - Microbiology (Moscow). 2023. Vol. 92. Iss. 5. P. 638-649. doi: 10.1134/S0026261723601586 (год публикации - 2023)
10.1134/S0026261723601586

2. Самылина О.С., Габышева О.И., Габышев В.А., Кадников В.В., Белецкий А.В., Косякова А.И., Каллистова А.Ю., Пименов Н.В. Планктонные микробные сообщества термокарстовых озер Центральной Якутии демонстрируют высокое разнообразие некультивируемых прокариот с неохарактеризованными функциями Микробиология/Microbiology (год публикации - 2024)

3. Кадников В.В., Саввичев А.С., Русанов И.И., Белецкий А.В., Пименов Н.В. Метагеномный анализ осадков карстового меромиктического озера Черный Кичиер выявил большое количество некультивируемых Thermoplasmatota. Микробиология/Microbiology (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетный период завершена комплексная программа исследований высокогорных озер Кавказа и щелочных содовых и соленых озер Кулундинской степи. Метагеномный анализ образцов из Кавказских озер выявил в микробном сообществе гены, вовлеченные в различные пути аэробной и анаэробной трансформации соединений С, N, S. В высокогорном оз. Шобайдак обогащение водной толщи и осадков органическим веществом происходит за счет цветения фототрофных организмов на поверхности дна озера, что вероятнее всего связано с вредным влиянием на них УФ-излучения и достаточным прогревом придонной воды. В обогащении водной толщи органическим веществом также участвуют веслоногие рачки рода Diaptomus. Внутри рачков происходит круговорот метана, благодаря присутствию органотрофных микроорганизмов, обеспечивающих метаногенных архей субстратами, и метанотрофных бактерий, окисляющих образуемый метан. Высокое содержание органического вещества в озере Шобайдак поддерживает активность разнообразных аэробных гетеротрофных микроорганизмов, что в свою очередь приводит к дефициту кислорода в поверхностных осадках, к активации сульфатредукции и метаногенеза, и, как следствие, метанокисления, в том числе и в анаэробных условиях. В микробном сообществе выявлены гены трансформации сераорганических соединений – потенциальных предшественников аэробного метаногенеза. Все это характерно для мезотрофных и евтрофных водоемов. При негативном развитии событий можно дать прогноз о превращении оз. Шобайдак в меромиктический водоем с постоянно аноксидным придонным водным слоем. Результаты работы на ультрапресных и олиготрофных высокогорных озерах Клухорского каскада свидетельствуют о том, что образование новых перигляциальных озер и потеря связи с ледниками при их отступлении приводит к изменению структур планктонных сообществ при переходе от мутных ледниковых озер к прозрачным. Состав микробных сообществ водоемов и их биогеохимическая продуктивность могут быть индикаторами масштабных и локальных климатических изменений. Анализ многолетних данных по разнообразию фототрофных микроорганизмов в содовом озере Кулундинской степи выявил климатически обусловленную сукцессию фототрофных микробных сообществ. На основе анализа спутниковых и гидрохимических данных, а также полевых наблюдений выделены периоды высокой (100–250 г/л), средней (60 г/л), низкой (23–34 г/л) и экстремально низкой (13–16 г/л) и солености. Показано, что каждый период солености характеризовался уникальным составом фототрофных сообществ. Изменения имели высокую степень корреляции с фазами солнечной активности. Полученные данные указывают на то, что экосистемы озер, расположенных на юге западной Сибири, характеризуется динамической устойчивостью, обусловленной естественными климатическими циклами. Под динамической устойчивостью мы подразумеваем чередование различных альтернативных (структурных и/или функциональных) устойчивых состояний экосистемы, естественным образом повторяющихся с течением времени. Результаты микробиологических исследований ранее неизученных термокарстовых озер Якутии свидетельствует об их высоком разнообразии по физико-химическим параметрам, по активности и таксономическому разнообразию микробного сообщества, обеспечивающего продукционные и деструкционных процессы трансформации органического вещества в этих водоемах с высвобождением парниковых газов. Короткий вегетационный период с длительным ледовым покровом делает такие озера крайне чувствительными к любому антропогенному воздействию с привнесением аллохтонного органического вещества и биогенов, что может стать наряду с климатическими изменения и уменьшением криозоны причиной значительных экологических трансформаций природных процессов в этих водоемах. Установлено, что микробные сообщества донных осадков отражают степень сельскохозяйственной нагрузки, которую испытывают озера. В активно эксплуатируемых человеком озерах Тюнгюлю и Табы преобладали микроорганизмы, характерные для желудочно-кишечного тракта и биологических жидкостей теплокровных животных, что является следствием развитого животноводства в районе расположения этих озер. В осадках озера Харыялах, расположенного на особо охраняемой природной территории, преобладали микроорганизмы цикла метана, и присутствовала первично-продукционная ветвь, указывая на автономность микробных сообществ. В осадках озер, расположенных на левом берегу Лены, относительная численность микроорганизмов и интенсивности процессов цикла метана были значительно выше, чем в осадках озер, расположенных на правом берегу Лены. Данный результат может отражать общую закономерность, причины которой требуют дальнейшего выяснения. Для некультивируемых микроорганизмов из образцов озер Светлое-3 (Архангельская обл.), Черный Кичиер (респ. Марий Эл) и Безымянное 1 (Якутия) произведена сборка и аннотация полных геномов прокариотных микроорганизмов, характеристика их филогенетического положения и путей метаболизма. За трехлетний период работ по проекту (2022-2024 гг.) было исследовано 35 озер. В большинстве исследованных озер, независимо от географического местоположения, трофического статуса и гидрохимических параметров, преобладал гидрогенотрофный путь метаногенеза, выявлены различные пути аэробного образования метана и высокая активность аэробного и анаэробного метанотрофного биофильтра, снижающего эмиссию метана в атмосферу. Особо следует отметить, что исследованные озера Кавказа и Якутии находятся на особо охраняемой заповедной территории, сохранение экосистемы которых представляется задачей не только регионального, но и общегосударственного уровней.

Публикации

1. Каллистова А.Ю., Кадников В.В., Белецкий А.В., Пименов Н.В. Microorganisms of the Methane Cycle in Copepods from a High-Altitude Lake Microbiology/Микробиология, Vol. 93, № 7 (Дополнительный выпуск) (год публикации - 2024)
10.1134/S002626172460839X

2. Горленко В., Саввичев А., Кадников В., Русанов И., Белецкий А, Захарова Е., Кострикина Н., Сигалевич П., Веслополова Е., Пименов Н. Novel View of the Diversity of Anoxygenic Phototrophic Bacteria Inhabiting the Chemocline of Meromictic Karst Lakes Microorganisms, Vol. 12, Article ID 13. (год публикации - 2024)
10.3390/microorganisms12010013

3. Самылина О.С., Косякова А.И., Крылов А.А., Сорокин Д.Ю., Пименов Н.В. Salinity-induced succession of phototrophic communities in a southwestern Siberian soda lake during the solar activity cycle. Heliyon, Vol. 10, Article ID e26120 (год публикации - 2024)
10.1016/j.heliyon.2024.e26120

4. Самылина О.С., Габышев В.А., Косякова А.И., Кадников В.В., Белецкий А.В., Пименов Н.В. Microbial communities of bottom sediments of Alas lakes of Central Yakutia as indicators of agricultural load Microbiology/Микробиология, Vol 93, № 7 (Дополнительный выпуск). (год публикации - 2024)

5. Саввичев А.С., Кадников В.В., Русанов И.И., Захарова Е.Е., Белецкий А.В., Равин Н.В., Каллистова А.Ю., Текеев Д.К., Пименов Н.В. Microbial Community Composition and Carbon Cycling Processes in Cascadian Alpine Lakes of the Central Caucasus Microbiology/Микробиология, Vol. 94, № 3 (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Систематические микробиологические исследования водоемов, расположенных на особо охраняемых заповедных территориях, необходимы для контроля загрязнения их экосистем, а также при оценки эффективности разных природоохранных мероприятий