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 26-24-20040
НазваниеМикробные биомаркеры антропогенной нарушенности экосистем Ольхонского района: интегральный анализ почвенного и ризосферного микробиома как основа для экологического мониторинга
Руководитель Маркова Юлия Александровна, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл
Конкурс №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-107 - Экология биосистем
Ключевые слова Байкал, остров Ольхон, мониторинг, антропогенный фактор, почвы, ризосфера, микробиом
Код ГРНТИ34.35.25
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Ольхонский район, расположенный на западном берегу озера Байкал характеризуется экстремальными природно-климатическими условиями: резко континентальный климат, дефицит влаги, бедные почвы, что обуславливает высокую хрупкость экосистем и их низкую устойчивость к внешним воздействиям. Здесь сформировались уникальные и реликтовые экосистемы: фрагментированные степные участки, подвижные пески, реликтовые криоаридные сообщества, выполняющие роль рефугиумов для биоты. Как следствие данная территория характеризуется высоким уровнем эндемизма и биоразнообразия. До середины 20 века Ольхонский район практически не испытывал высокой антропогенной нагрузки, однако в последние годы наблюдается рост массового туризма, который наряду с традиционными воздействиями (выпас скота) приводит к деградации почвенного покрова (опустынивание, эрозия), нарушению растительности, загрязнению и фрагментации местообитаний редких растений. Традиционные физико-химические методы мониторинга фиксируют изменения на стадии глубоких, часто необратимых нарушений, не позволяя осуществлять превентивное управление. Использование микробиома в качестве интегрального биоиндикатора состояния почвенных экосистем является научно обоснованным и технологически достижимым подходом, способным дополнить или частично заменить традиционные методы мониторинга. Микробные сообщества почвы и ризосферы (т.е. почвы, находящейся под контролем растений) обладают высоким разнообразием и огромной метаболической пластичностью. Они быстро реагируют на самые разные типы антропогенных воздействий (загрязнение, рекреация, изменение землепользования, климатические стрессы). Следовательно, по изменению (перестройке) почвенного микробиома можно уже на ранней (возможно, обратимой) стадии деградации почвы выявить ее последующее разрушение, что позволит заблаговременно принять соответствующие меры. Для такой работы необходимо знать структуру эталонного микробиома, соответствующего почвенному микробиому аналогичных, но ненарушенных территорий. Для Байкальского региона в целом и для Ольхонского района в частности такие исследования практически не проводились. Поэтому данный проект направлен на выяснение эталонного микробиома в ключевых ненарушенных ландшафтах Ольхонского района (пустынных и степных) и выявление его структуры в почвах под разным уровнем антропогенного воздействия. Одновременно с исследованием почвенного микробиома будет сделана оценка микробиома ризосферы растений нарушенных и ненарушенных территорий, учитывая что растения стабилизируют микробиом почвы и выбирают из него полезные микроорганизмы.
Реализация данного проекта, основанного на биоинжениринговом подходе, позволит не только получить фундаментальные знания о структуре почвенных сообществ, но и разработать природоподобную технологию диагностики их состояния. По аналогии с биомедициной, мы планируем определить «микробные биомаркеры-сенсоры» антропогенного стресса. Установление связи между изменениями микробиома и уровнем нагрузки позволит: количественно оценить степень нарушенности экосистем на ранней стадии; создать основу для конструирования биопрепаратов-инокулянтов на основе аутохтонных микробных консорциумов для ремедиации нарушенных территорий; разработать программный биоинформатический инструмент (алгоритм) для автоматизированного анализа и прогноза состояния экосистем по данным метабаркодинга. Полученные данные и технологии будут иметь важное прикладное значение для разработки планов управления ООПТ и создания систем активного экологического восстановления уникальной экосистемы озера Байкал.
Ожидаемые результаты
Создание первой в мире комплексной базы данных таксономического и функционального профиля «эталонного» почвенного и ризосферного микробиома ключевых ненарушенных экосистем Ольхонского района (степных, песчаных).
Выявление и валидация набора ключевых таксонов-биомаркеров (бактерии, археи, грибы), специфически ассоциированных с различными типами и градиентами антропогенной нагрузки (рекреация, выпас скота).
Разработка «Интегрального индекса микробного благополучия почвы» (ИМБП) – количественного показателя, основанного на интеграции данных о микробном разнообразии, структуре сетей совместной встречаемости и физико-химических параметрах почвы.
Разработка статистической модели/алгоритма для классификации состояния экосистем по степени нарушенности на основе данных ДНК метабаркодинга.
Публикация не менее 2 (двух) статей в рецензируемых научных журналах, индексируемых в международных базах данных Web of Science и/или Scopus (Q1-Q2).
Подготовка практических рекомендаций для ФГБУ «Заповедное Прибайкалье» по использованию микробных биомаркеров в системе мониторинга состояния почвенного покрова Ольхонского района.
Научная значимость:
Соответствие мировому уровню: Проект реализует современный мировой тренд в экологии – использование метагеномных данных и сетевого анализа для оценки здоровья экосистем. Работа соответствует уровню ведущих международных исследований, публикуемых в журналах Nature Microbiology, Microbiome, ISME Journal и др.
Вклад в фундаментальную науку: Результаты внесут вклад в понимание роли микробных сообществ как индикаторов антропогенного стресса в экстремальных условиях, расширят знания о микробном разнообразии Байкальского региона – объекта Всемирного наследия ЮНЕСКО.
Методологический прорыв: Комплексный подход, сочетающий анализ не только таксономического состава, но и функционального потенциала и сетевых взаимодействий микробиома, представляет собой качественно новый, более информативный уровень экологического мониторинга. Даст обоснование термину "здоровье почв" для малоплодородных почв не сельскохозяйственного назначения.
Общественная значимость и возможность практического использования:
Для экономики и социальной сферы:
Сохранение туристической привлекательности: Разработка инструментов для сохранения уникальных ландшафтов Ольхонского района напрямую поддерживает устойчивое развитие туризма – ключевой отрасли экономики региона.
Снижение затрат на восстановление: Внедрение системы раннего предупреждения деградации позволит существенно снизить затраты на будущие масштабные и дорогостоящие ремедиационные мероприятия, перейдя к превентивному и точечному управлению.
Создание новых и усовершенствование применяемых технологий:
Новая технология мониторинга: Результаты проекта лягут в основу новой высокотехнологичной услуги – системы экологического мониторинга на основе анализа микробиома. Это качественно превосходит традиционные физико-химические методы по чувствительности и скорости получения результатов. Дальнейшее развитие этого направления позволит использовать данных подход для мониторинга природных, сельскохозяйственных или техногенно-нарушшенных почв.
Биотехнологический задел: Выявленные аутохтонные штаммы-биомаркеры и консорциумы представляют собой ценный биотехнологический ресурс и являются основой для будущей разработки новых биопрепаратов-ремедиантов для восстановления нарушенных почв («усовершенствование применяемых технологий»).
Программный продукт: Разрабатываемый алгоритм классификации является прототипом нового программного обеспечения для поддержки принятия решений в области охраны природы.
Для органов власти и ООПТ:
Результаты предоставят органам управления ООПТ (ФГБУ «Заповедное Прибайкалье») научно-обоснованный, объективный и оперативный инструмент для мониторинга, планирования и принятия управленческих решений, направленных на сохранение биоразнообразия и устойчивое развитие территории. В работе, на стадиях отбора проб и популяризации результатов, планируется использовать научное волонтерство среди школьников средней школы пос. Хужир и научный туризм.
Таким образом, проект направлен на получение прорывных научных результатов, имеющих высокий потенциал коммерциализации и практического применения для обеспечения экологической безопасности и социально-экономического развития Байкальского региона.