Email this article 
Prokaryotic communities of technozems of the spoil heaps of Kursk magnetic anomaly
- Authors: Ivanova E.A.1,2,3, Pershina E.V.2, Karpova D.V.4, Tkhakakhova A.K.1, Zhelezova A.D.1, Rogova O.B.1, Semenov M.V.1, Stifeev A.I.5, Nikitin D.A.1, Kolganova T.V.6, Andronov E.E.1,2
-
Affiliations:
- V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
- All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology
- Agrophysical Research Institute
- M.V. Lomonosov Moscow State University
- Horticulture and Plant Protection
- Federal Research Center “Fundamentals of Biotechnology” of the Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 18, No 3 (2020)
- Pages: 331-342
- Section: Ecosystems metagenomics
- URL: https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/17901
- DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen17901
- ID: 17901
Cite item
Open Access
Access granted
Subscription or Fee Access
Abstract
Background. Spoil heaps chronosequences are convenient models to analyze the succession of microbiome during restoration of anthropogenically disturbed landscapes. The investigation of the heavy metal content in lands with mining activity, can be used as an indicator of ecosystem recovery.
Materials and methods. Objects were technozems of 1-year, 25- and 50-year-old embryonic soils, and control soil under forest. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and NGS-sequencing of V4 region of 16S rRNA gene were applied. Results. During the soil-forming process, an increase organic carbon and nitrogen, as well as a gradual increase archaeal 16S rRNA gene copies and in the number of Bradyrhizobiaceae, Blastocatellaceae, Xantobacteriaceae. Although we found a number of taxa that increased during soil-forming process (Thaumarchaeota, Bradyrhizobiaceae, Blastocatellaceae, Xantobacteriaceae), technozems of different ages had a similar structure and diversity of prokaryotic communities, differing from a nature soil. Biodiversity analysis revealed that technozems generally had a similar structure and diversity of prokaryotic communities, significantly differing from the mature soil a specific clusterization of microbiomes. The HM contents and bacterial abundances remained at the same level in chronosequence.
Conclusions. The 50 years of soil development on overburden spoil heaps is not enough for the recovery from HM contamination and restoration of soil ecosystem functioning.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Исследования микробиомов в ходе первичного почвообразовательного процесса на участках добычи горных пород широко представлены в работах ученых последних 20 лет. Интерес к этим объектам связан с огромными площадями нарушенных земель, являющихся результатом добычи полезных ископаемых, а также с выявлением ключевой роли микроорганизмов в обеспечении жизнедеятельности и развития растительного сообщества. Микробные сообщества рассматриваются как индикаторы различных этапов восстановления почв техногенных ландшафтов [1–4]. Для изучения микробной сукцессии в ходе почвообразовательных процессов часто используется метод хроносений, предполагающий сравнение пространственно разобщенных почвенных разностей [1, 5, 6]. Этот подход очень удобен и перспективен при изучении восстановления почв из отвалов вскрышных пород, сформированных в районах добычи, главным образом благодаря хорошо известной датировке образования отвальных комплексов и однородности состава отвалов вскрышных пород, служащих основой для формирования молодой почвы.
Экогенез на отвалах вскрышных пород в районах добычи часто характеризуется высоким содержанием тяжелых металлов (ТМ), влияющим на сукцессию микроорганизмов во время почвообразования/почвовосстановления. Тяжелые металлы, такие как Cd, As, Zn, Cr и Pb, зачастую токсичны для живых организмов [7, 8]. Загрязнение почв ТM часто приводит к существенным изменениям в микробном разнообразии и структуре [9, 10] или уменьшению микробного богатства почв [11, 12]. X. Li et al. [13] выявили дифференцированный ответ различных прокариотических групп на загрязнение ТM. Археи из групп Crenarchaeota и Euryarchaeota характеризовались положительной корреляцией обилия с содержанием Cd и демонстрировали большее количество взаимодействий (диагностированное по большему числу связей в сетях взаимодействий) с другими членами микробного сообщества в образцах с относительно высоким содержанием ТM [13]. Таким образом, можно предположить, что археи более устойчивы к загрязнению ТМ и вносят вклад в адаптацию почвенного микробиома к техногенным воздействиям.
На российские корпорации приходится около 40 % всех нарушенных земель. Российская Федерация является одним из крупнейших производителей железной руды, более половины из которых производится в районе Курской магнитной аномалии (КМА, Курская область). Основными материнскими породами для почвообразования здесь являются келловейские глины, покрытые лёссовидными глинами. Благоприятные физико-химические параметры делают лёссовидные субстраты пригодными для использования в сельском хозяйстве и мелиорации [14]. Исследования И.А. Стифеева и др. [14] продемонстрировали возможность использования отвалов Михайловского горно-обогатительного комбината для сельского хозяйства (с предварительным размещением на поверхности отвала гумусного слоя почвы, ранее удаленного с земель, отведенных под горнодобывающую промышленность).
В настоящее время большинство исследований микробных сообществ техноземов, расположенных в КМА, проведены классическими методами, основанными на культивировании, охватывающими только 1–5 % общего разнообразия микроорганизмов почвы. Использование современных молекулярно-генетических методов для изучения динамики сукцессии микроорганизмов представляется весьма перспективным подходом к оценке адаптивных и эволюционных стратегий почвенного микробиома в ходе восстановления почвенных экосистем.
Целью данного исследования является анализ временной динамики содержания тяжелых металлов и структуры и численности прокариотических сообществ в молодых почвах (техноземах), сформировавшихся в районе КМА, на разных этапах почвообразования (1, 25, 50 лет).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследованы участки на отвалах лёссовидных суглинков — порода без растительности (LL1, LL1b, b — barren) и отвалы с редким растительным покровом (LL1) возрастом 1 год, а также отвалы 25- (LL25), 50-летнего (LL50) возраста, и контрольная почва под лесополосой (N52,2592436; E35,3708321). Отбор проб производился в трех повторностях из верхнего горизонта почвы (на глубине 0–10 см), варианты LL25, LL50 и контроль отбирались на двух глубинах: 0–5 (Up) и 5–10 (Down) см. Проведено геоботаническое описание растительности исследуемых участков, в образцах определены значения основных физико-химических параметров (описано в [14]) (табл. 1, 2).
Таблица 1 Описание растительности техноземов, сформированных на отвалах лёссовидных суглинков Курской магнитной аномалии | |
Образец (почва) | Геоботаническое описание |
LL1 (технозем, Lithosol Technic) | Редкая растительность, отсутствие древесного и кустарникового ярусов. Синузии мать-и-мачехи (Tusellago farfara), солянки холмовой (Salsola collina), перекати-поле (Kali tragus), горца почечуйного (Polygonum persicaria). |
LL25 (подзолистый эмбриозем) | Древесный ярус: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), береза повислая (Betula pendula); подрост: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), осина обыкновенная (Populus tremula); травянистый ярус: синузия вейника седоватого (Calamagrostis canescens), ястребиночка обыкновенная (Pilosella officinarum), мать-и-мачеха (Tussilago farfara) и бодяк обыкновенный (Cirsium vulgare); существенная часть территории покрыта двумя видами мха |
LL50 (гумусово-аккумулятивный эмбриозем) | Заросли березы повислой (Betula pendula) и осины обыкновенной (Populus tremula). Формула древостоя: 5B5P; единичные растения — сосна обыкновенная (Pinus sylvestris); в подросте: дуб черешчатый (Querqus robur), осина обыкновенная (Populus tremula), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), береза повислая (Betula pendula); травянистый покров разрежен, большое количество засохших (угнетенных) деревьев (главным образом, сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), синузия вейника наземного (Calamagrostis epigeus) и овсяницы луговой (Festuca pratensis), в промежутках — вегетирующая ястребиночка обыкновенная (Pilosella officinarum)) |
Контроль (серая лесная почва) | Древесный ярус: береза повислая (Betula pendula) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), 7B3P. Травянистая растительность, характерная для широколиственных лесов: синузия козлятника лекарственного (Galega gigantea), тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium), вейника седоватого (Calamagrostis canescens), единичные растения — цикорий обыкновенный (Cichorium intybus) и подмаренник душистый (Galium odoratum); мятлик болотный (Poa palustris), мятлик луговой (Poa pratensis), ястребиночка обыкновенная (Pilosella officinarum), репешок волосистый (Agrimonia pilosa) |
Таблица 2 Основные физико-химические характеристики вскрышных пород и контрольной почвы в регионе КМА, % | ||||||||||||
Образец | Na2O, % | K2O, % | P2O5, мг/кг | SO3, % | Fe2O3, % | CO2, % | Cорг, % | Nобщ, % | C:N | K2O, мг/кг | рНН2O | рНKCl |
LL1b | 0,84 | 1,95 | 41,7 | 0,34 | 3,85 | 0,08 | 1,69 | 0,05 | 33,8 | 10,1 | 8,61 | 7,46 |
LL1 | 0,98 | 1,83 | 68,3 | 0,16 | 5,11 | 0,09 | 0,62 | 0,04 | 15,5 | 13,2 | 8,06 | 7,03 |
LL25_U | 0,81 | 1,96 | 16,1 | 0,22 | 5,49 | 2,85 | 1,39 | 0,12 | 11,6 | 24,1 | 8,34 | 7,12 |
LL25_D | 0,74 | 1,95 | 10,8 | 0,19 | 3,55 | 3,3 | 0,91 | 0,03 | 30,3 | 16,4 | 8,62 | 7,38 |
LL50_U | 0,62 | 1,89 | 46,3 | 0,28 | 4,41 | 0,9 | 1,81 | 0,18 | 10,1 | 24,3 | 8,17 | 7,07 |
LL50_D | 0,87 | 1,91 | 27,1 | 0,19 | 3,64 | 1,5 | 2,01 | 0,13 | 15,5 | 14,3 | 8,37 | 7,17 |
Control_U | 0,84 | 1,97 | 15,9 | 0,28 | 3,11 | 0,05 | 1,69 | 0,18 | 9,4 | 21,1 | 5,98 | 5,10 |
Control_D | 0,91 | 2,05 | 13,1 | 0,26 | 3,27 | 0,4 | 1,62 | 0,21 | 7,7 | 14,3 | 5,87 | 4,86 |
Выделение ДНК проводили с использованием набора DNA PowerSoil® (MO BIO, США), включая механическое разрушение образца почвы с использованием гомогенизатора Precellys 24 (Bertin Technologies, Франция). Средняя концентрация ДНК в образце составляла 50 нг/мл. Очищенные образцы ДНК (10–15 нг) использовали в качестве матриц в реакции ПЦР (температурный профиль: 95 °C — 30 с, 50 °C — 30 с, 72 °C — 30 с, всего 30 циклов) с использованием полимеразы Encyclo (Eurogen, Россия) и универсальных праймеров F515 и R806 к вариабельному участку V4 гена 16S рРНК. Подготовка образцов и секвенирование выполнялись на приборе Illumina MiSeq (Illumina, США) в соответствии с рекомендациями производителя.
Последующую обработку данных проводили с использованием пакета программ QIIME [15]. Данный процесс включал в себя удаление низкокачественных последовательностей (длиной менее 200 нуклеотидов, с показателем качества менее 25), удлиненные гомополимерные повторы, небактериальные и химерные последовательности были исключены. В результате отобрано 14 312 последовательностей; данные были нормализованы в соответствии с количеством последовательностей в библиотеке наименьшего размера (4700 последовательностей). Последовательности со сходством более 97 % были объединены в оперативные таксономические единицы (OTЕ) с использованием алгоритма de novo (на основе метода «uclust»). Из каждого OTЕ была выбрана одна последовательность для составления репрезентативного набора. Классификация репрезентативных последовательностей произведена с использованием байесовского классификатора рРНК и выравнивания алгоритма PyNast [15]. Специально разработанный набор «Greengenes coreset» [15] был использован для выравнивания последовательностей.
Альфа-разнообразие оценивали посредством расчета количества OTЕ, а также индексов Фейта (филогенетическое разнообразие) и Шеннона. Достоверность различий в показателях альфа-разнообразия среди микробиомов оценивали с помощью t-критерия. Для анализа бета-разнообразия (оценки процента сходств/различий между микробиомами) использовали метод Weighted Unifrac [15]. Достоверность различий в наличии отдельных таксонов оценивалась с помощью нескольких парных тестов таблиц сопряженности частот OTЕ. Алгоритм динамически выбирает либо G-критерий, либо точный критерий Фишера и применяет коррекцию p-значения Бонферрони.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ растительного сообщества
В ходе исследования было описано 22 вида растений (табл. 1). В техноземах (Lithosols Technic) 1-го года (начальные стадии почвообразования) преобладали травянистые формы, в то время как редколесье с преобладанием березы и тополя было характерно для более поздней стадии. В травяном ярусе на участках более старых отвалов преобладали Calamagrostis и Achillea millefolium, что согласуется с ранее описанными доминирующими видами в растительных сообществах нативных почв и техноземов в районе КМА [14, 17]. Было определено некоторое уменьшение численности видов по сравнению с предыдущими геоботаническими наблюдениями [14], что можно объяснить сезоном, во время которого проводилась экспедиция (отбор проб почвы проводился в сентябре): в это время большинство растений уже находилось на терминальной стадии вегетации. Растительный покров на LL1 не превышал 3 %, LL25 и LL50 характеризовались 100 % растительным покровом (табл. 1).
Физико-химические свойства образцов
Исследованные отвалы характеризовались в основном слаборазвитыми профилями литозолов (эмбриоземов) с выраженным накоплением органического вещества в верхнем слое почвы только на поздних стадиях (25 и 50 лет) сукцессии, а также в контрольной почве. Для одногодичных вариантов дифференциация почв по морфологически различным горизонтам не определялась, поэтому они отнесены к техноземам. рН техноземов был слабощелочным (8,0), тогда как рН контрольной почвы — слабокислым. Это связано с высоким содержанием карбонатов в породе. Содержание железа было высоким как в техноземах/эмбриоземах, так и в фоновых почвах; наблюдалась лишь слабая тенденция изменения содержания железа во времени (табл. 2), что может быть связано с низкой подвижностью железа в условиях естественного и слабощелочного pH [18].
Техно- и эмбриоземы, как правило, характеризовались более высоким содержанием микроэлементов по сравнению с фоновым значением, в то время как содержание ТM оставалось приблизительно на одном и том же уровне для всех стадий хроносерии по сравнению как с контрольной почвой (табл. 2, 3), так и с фоновыми значениями для изучаемого региона [21].
Содержание органического углерода и общего азота увеличивается с возрастом почвы. В отвальных породах практически отсутствует азот, а его накопление в почве происходит за счет симбиотических и свободно живущих микроорганизмов [19]. Поэтому увеличение содержания азота в почвах от самых ранних до самых поздних стадий техногенных ландшафтов связано с аналогичным накоплением органического углерода. Соотношение C:N в техноземах демонстрирует низкое обогащение почвенного органического вещества азотом, что характерно для горизонтов, содержащих слегка гумифицированные растительные остатки.
Таблица 3 Содержание тяжелых металлов в вскрышных породах и контрольной почве в районе Курской магнитной аномалии | |||||||||
Образец | Ni | Cu | Zn | Ga | Pb | Rb | Sr | Y | Zr |
LL1b | 21 | 18 | 46 | 24 | 11 | 78 | 85 | 39 | 578 |
LL1 | 29 | 21 | 52 | 22 | 15 | 78 | 114 | 36 | 536 |
LL25_U | 21 | 20 | 42 | 20 | 6 | 72 | 122 | 33 | 532 |
LL25_D | 26 | 12 | 36 | 20 | 11 | 74 | 131 | 35 | 588 |
LL50_U | 19 | 16 | 46 | 20 | 10 | 71 | 95 | 33 | 521 |
LL50_D | 20 | 16 | 49 | 20 | 12 | 73 | 101 | 35 | 505 |
Control_U | 19 | 19 | 42 | 14 | 11 | 78 | 100 | 37 | 567 |
Control_D | 24 | 15 | 36 | 20 | 18 | 81 | 102 | 37 | 589 |
Фон | 40 | 20 | 49 | 10 | 10 | 84 | 106 | 30 | 450 |
Примечание. Значения, выделенные жирным шрифтом, превышают фоновый уровень (согласно [15]). | |||||||||
Согласно результатам Mantel-теста, практически все основные физико-химические параметры оказывают существенное влияние на структуру микробного сообщества (табл. 4).
Таблица 4 Статистические значения Mantel R-критерия для образцов эмбриоземов, сформированных на вскрышных отвалах Курской магнитной аномалии | ||||||||||
Cорг | Nобщ. | pH | Pподв | CaCO3 | Fe | Cu | Pb | Zn | Sr | Rb |
Mantel R | ||||||||||
0,3 | 0,44 | 0,79 | 0,76 | 0,83 | 0,83 | 0,39 | 0,89 | 0,92 | 0,91 | 0,79 |
p-value | ||||||||||
0,0 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,003 | 0,004 | 0,02 | 0,003 | 0,00 | 0,001 | 0,00 |
Численность бактерий и архей
Наибольшее содержание копий бактериальных генов 16S рРНК обнаружено в верхнем горизонте (0–5 см) контрольной почвы — 1,29 · 1011 копий/г почвы. Количество копий бактериальных генов существенно не различалось в образцах отвалов разного возраста на глубине 0–5 см. Количество копий гена 16S рРНК было минимальным в LL1b (1,03 · 108 копий/г почвы) и в слое 5–10 см LL25 (3,63 · 109 копий/г почвы) по сравнению с контролем и LL50 (рис. 1).
Рис. 1. Количество копий гена 16S рРНК бактерий (а) и архей (b) в техноземах (LL1 и LL1LL1b) и эмбриоземах (LL25–50) отвалов Kурской магнитной аномалии, а также в контрольной почве (control_U, control_D)
Другая тенденция обнаружена в отношении количества копий генов 16S рРНК архей. В контрольной почве число генов архей составляло 2,25 · 108 и 8,51 · 108 копий/г почвы для слоев 0–5 и 5–10 см соответственно. Количество копий археотных генов в верхних слоях отвалов среднего возраста было на порядок выше по сравнению с контрольной почвой. Минимальное количество копий археотных генов было определено в образце LL1b.
Анализ альфа- и бета-разнообразия отвалов лёссовидных суглинков
Наименьшее филогенетическое (индекс Фейта) и видовое (количество) разнообразие было определено в LL1, LL1b. Выявлено незначительное увеличение разнообразия с возрастом отвалов (от LL1 до LL50) в верхнем слое, однако выравненность (согласно значениям индекса Шеннона) микробного сообщества в контрольной почве была самой высокой (рис. 2). Последнее может указывать на то, что каждая стадия педогенеза характеризовалась специфическим микробиомом с некоторым набором доминантных таксонов.
Рис. 2. Показатели альфа-разнообразия техноземов и эмбриоземов вскрышных пород Курской магнитной аномалии, а также в контрольной почве
Многомерное шкалирование бета-разнообразия показало группирование образцов в три основных кластера — почву без растительности, контрольные образцы и образцы технозема с растительным покровом LL1, 25, 50 (рис. 3, а, b). Таким образом, наличие растений явилось существенным фактором формирования почвенного микробиома в техногенных отвалах. Однако различие микробных сообществ, соответствующее определенной глубине, было отмечено только для более молодых отвалов (LL25). Выявлена бóльшая неоднородность нижних (5–10 см) слоев, наблюдаемая с возрастом, по сравнению с верхними (0–5 см) слоями (рис. 3, b), что можно объяснить началом формирования почвы в варианте LL25.
Рис. 3. PCoA-анализ невзвешенных (a) и взвешенных (b) расстояний Unifrac микробных сообществ техноземов и эмбриоземов отвалов вскрышных пород Kурской магнитной аномалии и в контрольной почве. Серым цветом обозначены слои 0–5 см, черным цветом – 5–10 см
Анализ состава прокариотного сообщества почвенной хроносерии
При анализе таксономической структуры микробиома в образцах отвалов обнаружено 23 бактериальных и 2 археотных филума. Доминирующими филумами были протеобактерии (в среднем 28,8 %), бактероидеты (19,8 %), актинобактерии (18,4 %), ацидобактерии (8,3 %), хлорофлекси (4,3 %), веррукомикробии (8,0 %) и Thaumarchaeota (4,1 %) (рис. 4). Доля других филумов не превышала 3 %.
Рис. 4. Структура микробных сообществ изучаемых почв на уровне филумов
Содержание Thaumarchaeota относительно возросло в варианте LL50 (максимальное содержание в LL50_U 10,2 %) и в контрольных образцах. Вариант LL50 характеризовался более высоким содержанием Zn, который известен своим ингибирующим воздействием на микроорганизмы [7, 10]. Таким образом, этот элемент оказывает косвенное влияние на количество архей путем замещения ими экологических ниш, ранее занимаемых бактериями. Предыдущие исследования показали, что многие архейные группы характеризовались олиготрофной стратегией и могли выиграть конкуренцию за экологические ниши у бактерий в условиях энергетического стресса [20].
В процессе почвообразования в техноземах отмечалось снижение численности Gemmatimonadetes, Bacteroidetes, Gammaproteobacteria и Betaproteobacteria. В зрелой почве было определено относительное увеличение количества Verrucomicrobia. Некоторые исследования связывают обилие представителей данной группы с корнями растений, в то время как локальный пик относительного обилия веррукомикробий часто обнаруживается на глубине от 10 до 50 см, что, в свою очередь, может указывать на связь этой группы с динамикой органического углерода [21, 22]. Поскольку бета-протеобактерии и гамма-протеобактерии часто ассоциируются с копиотрофной стратегией [23], замена их более олиготрофными (альфа-протеобактериями и ацидобактериями) может указывать на переход к климаксной стадии педогенеза. Бактерии, принадлежащие к филуму Bacteroidetes, часто участвуют в процессах минерализации растительных остатков и рассматриваются как типичные копиотрофы [23], что может объяснить уменьшение их численности в нижних (5–10 см) слоях почв.
Отвалы без растительного покрова (LL1, LL1b) характеризовались специфическим микробным составом. Относительно высокое содержание ионов SO32– и Fe2+ может объяснить возникновение хемолитоавтотрофов — восстановителей серы (например, Desulfurellaceae). В данном варианте обнаружено самое низкое содержание ацидобактерий и увеличение относительного содержания актинобактерий. Последние представлены главным образом актиномицетами — Streptomycetaceae и Micromonosporaceae (рис. 5), которые способны образовывать споры и жить в неблагоприятных условиях с низким содержанием органического углерода и влаги. Доминирующими среди протеобактерий были Nitrosomonadales (Betaproteobacteria) и Sphingomonadales (Alphaproteobacteria), в контрольных образцах увеличилась доля Rhizobiales (Alphaproteobacteria) и Burkholderiales (Betaproteobacteria). Burkholderiales характеризуются широкими возможностями адаптации к окружающей среде и способностью использовать различные субстраты. Постепенное увеличение других типичных ризосферных микроорганизмов (например, Bradyrhizobiaceae, Xanthobacteraceae) с возрастом почвы может предполагать возможную роль этих бактерий в восстановлении почвы, а также маркировать определенную стадию педогенеза. Bradyrhizobiaceae были определены в составе «корового» компонента российских почв всех типов [24], поэтому наличие этого семейства бактерий может быть косвенным показателем климаксной стадии почвенных экосистем.
Рис. 5. Теплокарта доминантных таксонов, связанных с исследуемыми этапами почвообразования на отвалах Курской магнитной аномалии и в образцах контрольной почвы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном исследовании проведено сравнение временной динамики содержания ТМ и структуры и численности прокариотических сообществ в техноземах, сформировавшихся в районах добычи железной руды в регионе КМА на разных этапах восстановления почвенной экосистемы. Отмечено постепенное увеличение содержания органического углерода и общего азота в почвах, а также обилие архей. В ходе почвообразовательного процесса в техноземах наблюдалось снижение содержания гамма-протеобактерий, бета-протеобактерий, гемматиамонадет и бактероидетов. Несколько таксонов (Thaumarchaeota, Bradyrhizobiaceae, Blastocatellaceae, Xantobacteriaceae), напротив, постепенно увеличивали численность. Высокие концентрации Zn косвенно влияют на количество архей, способствуя, по-видимому, замещению ими экологических ниш, ранее занимаемых бактериями. Техноземы разных возрастов имели сходную структуру и разнообразие прокариотных сообществ, значительно отличающихся от зрелой почвы. Эти результаты показывают, что загрязнение ТМ оказывает долгосрочное деструктивное воздействие на микробные сообщества почв. По прошествии 50 лет на отвалах вскрышных пород не наблюдалось существенного снижения уровня загрязнения почв ТМ и восстановления функционирования почвенной экосистемы.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 17-16-01057.
About the authors
Ekaterina A. Ivanova
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute; All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology; Agrophysical Research Institute
Author for correspondence.
Email: ektrnivanova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1589-9875
PhD of Biology, Senior Researcher of the Department of Biology and Biochemistry of Soils; Research Scientist of the Laboratory of Microbiological Monitoring and Bioremediation of Soils; Research Scientist of the Department of the Modelling of Adaptive Agrotechologies
Russian Federation, Moscow; St. Petersburg, Pushkin; St. PetersburgElizaveta V. Pershina
All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology
Email: microbioliza@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4472-1013
PhD of Biology, Senior Researcher of the Laboratory of Microbiological Monitoring and Bioremediation of Soils
Russian Federation, Saint Petersburg, PushkinDina V. Karpova
M.V. Lomonosov Moscow State University
Email: karpovad@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9892-9621
Dr. Sc. of Agricultural Sciences, of the Department of Soil Erosion and Consernation of the Faculty of Soil Science
Russian Federation, MoscowAzida K. Tkhakakhova
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
Email: azida271183@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9375-2364
PhD of Biology, Senior Researcher of the Department of Biology and Biochemistry of Soils
Russian Federation, MoscowAlyona D. Zhelezova
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
Email: alferrum@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2086-299X
PhD of Biology, Senior Researcher of the Department of Biology and Biochemistry of Soils
Russian Federation, MoscowOlga B. Rogova
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
Email: olga_rogova@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0003-2908-0828
PhD of Biology, Senior Researcher of the Department of Biology and Biochemistry of Soils
Russian Federation, MoscowMikhail V. Semenov
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
Email: gosmv@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-6811-5793
PhD of Biology, Senior Researcher of the Department of Biology and Biochemistry of Soils
Russian Federation, MoscowAnatoly I. Stifeev
Horticulture and Plant Protection
Email: stifeev09.2015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7872-8921
Dr.Sc. of agricultural sciences, chief researcher of department of ecology, gardening and protection of plants
Russian Federation, KurskDmitry A. Nikitin
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
Email: dimnik90@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8533-6536
PhD of Biology, Researcher of the Department of Soil Biology and Biochemistry
Russian Federation, MoscowTatiana V. Kolganova
Federal Research Center “Fundamentals of Biotechnology” of the Russian Academy of Sciences
Email: tatrifon@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7436-5219
PhD of Technical Sciences, Senior Researcher
Russian Federation, МоскваEvgeny E. Andronov
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute; All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology
Email: eeandr@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0437-9292
PhD of Biology, Leading Researcher of the Department of Biology and Biochemistry of Soils; Manager of the Laboratory of Microbiological Monitoring and Bioremediation of Soils
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg, PushkinReferences
- Sourkova M, Frouz J, Fettweis U, et al. Soil development and properties of microbial biomass succession in reclaimed post mining sites near Sokolov (Czech Republic) and near Cottbus (Germany). Geoderma. 2005;129(1-2): 73-80. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004. 12.032.
- Dangi SR, Stahl PD, Wick AF, et al. Soil microbial community recovery in reclaimed soils on a surface coal mine site. Soil Sci Soc Am J. 2012;76(3):915-924. https://doi.org/10.2136/sssaj2011.0288.
- Liu S, Liu W, Yang M, et al. The genetic diversity of soil bacteria affected by phytoremediation in a typical barren rare earth mined site of South China. Springerplus. 2016;5(1):1131. https://doi.org/10.1186/s40064-016-2814-0.
- Смольникова В.В., Емельянов С.А. Биотехнологические основы оптимизации микрофлоры нефтезагрязненных субстратов // Юг России: экология, развитие. – 2010. – Т. 5. – № 3. – С. 106–110. [Smolnikova VV, Emilyanov SA. Biotechnological bases of optimization of microflora of the petropolluted substrata. Ug Rossii: ecologia, rasvitie. 2010;5(3):106-110. (In Russ.)]
- Frouz J, Novakowa A. Development of soil microbial properties in topsoil layer during spontaneous succession in heaps after brown coal mining in relation to humus microstructure development. Geoderma. 2005;129: 54-64. https://doi.org/10.1016/j.geoderma. 2004.12.033.
- Zhelezova A, Chernov T, Tkhakakhova A, et al. Prokaryotic community shifts during soil formation on sands in the tundra zone. PLoS One. 2019;14(4): e0206777. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206777.
- Appenroth KJ. Definition of «Heavy Metals» and their role in biological systems. Soil Biology. 2010;19:19-29. https://doi.org/10.1007/978-3-642-02436-8_2.
- Сангаджиева Л.Х., Сангаджиева О.С., Даваева Ц.Д., и др. Тяжелые металлы в компонентах ландшафтов Калмыкии // Юг России: экология, развитие. – 2010. – Т. 5. – № 1. – С. 156–161. [Sangadjieva LH, Sangadjieva OS, Davaeva CD, et al. Heavy metals in the landscape components of the Kalmykia. Ug Rossii: ecologia, rasvitie. 2010;5(1):156-161. (In Russ.)]
- Lorenz N, Hintemann T, Kramarewa T, et al. Response of microbial activity and microbial community composition in soils to long-term arsenic and cadmium exposure. Soil Biol Biochem. 2006;38(6):1430-1437. https://doi.org/ 10.1016/j.soilbio.2005.10.020.
- Oliveira A, Pampulha ME. Effects of long-term heavy metal contamination on soil microbial characteristics. J Biosci Bioeng. 2006;102(3): 157-161. https://doi.org/10.1263/jbb.102.157.
- Gołębiewski M, Deja-Sikora E, Cichosz M, et al. 16S rDNA pyrosequencing analysis of bacterial community in heavy metals polluted soils. Microb Ecol. 2014;67(3):635-647. https://doi.org/10.1007/s00248-013-0344-7.
- Колесников С.И., Ярославцев М.В., Спивакова Н.А., и др. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства горных черноземов юга России // Юг России: экология, развитие. – 2012. – Т. 7. – № 2. – С. 103–109. [Kolesnikov SI, Yaroslavcev MV, Spivakova NA, et al. Influence of pollution by heavy metals on biological properties of mountain chernozems of the south of Russia. Ug Rossii: ecologia, rasvitie. 2012;7(2):103-109. (In Russ.)]
- Li X, Meng D, Li J, et al. Response of soil microbial communities and microbial interactions to long-term heavy metal contamination. Environ Pollut. 2017;231(Pt 1):908-917. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.08.057.
- Стифеев А.И., Никитина О.В., Бессонова Е.А., Кемов К.Н. Рекультивация нарушенных земель и технологии их реабилитации на территории Центрального Черноземья // Международный сельскохозяйственный журнал. – 2017. – № 6. – С. 34–38. [Stifeev AI, Nikitina OV, Bessonova EA, Kemov KN. Recultivacia narushennyh zemel I tehnologii ih reabilitacii na territorii Centralnogo Chernozemya. Mezhdunarodnyi sel’skokhoziaistvennyi zhurnal. 2017;(6): 34-38. (In Russ.)]. https://doi.org/10.24411/ 2587-6740-2017-16008.
- Caporaso JG, Kuczynski J, Stombaugh J, et al. Correspondence QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data Intensity normalization improves color calling in SOLiD sequencing. Nature Publishing Group. 2010;7(5):335-336. https://doi.org/10.1038/nmeth.f.303.
- DeSantis TZ, Hugenholtz P, Larsen N, et al. Greengenes, a chimera-checked 16S rRNA gene database and workbench compatible with ARB. Appl Environ Microbiol. 2006;72(7):5069-5072. https://doi.org/10.1128/AEM.03006-05.
- Стифеев А.И., Головастикова А.В., Бессонова Е.А. Изменение состава и структуры микробного сообщества в условиях техногенного ландшафта отвалов Михайловского ГОКа КМА // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. – 2011. – № 4. – С. 40–41. [Stifeev AI, Golovastikova AV, Bessonova EA. Ismenenia sostava I structury microbnogo soobschestva v usloviyah tehnogennogo landshafta otvalov Mihaylovskogo GOKa KMA. Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy selkohozyaystvennoy akademii. 2011;(4):40-41. (In Russ.)]
- Бриндукова Е.Е. Закономерности аккумуляции валовых и подвижных форм тяжелых металлов в черноземе типичном юго-западной Лесостепи: Автореф. дис. … докт. биол. наук. – Курск, 2010. – 19 с. [Brindukova EE. Zakonomernosti akkumulyatsii valovykh i podvizhnykh form tyazhelykh metallov v chernozeme tipichnom yugo-zapadnoy Lesostepi. [dissertation abstract] Kursk; 2010. 19 p. (In Russ.)]. Доступно по: https://search.rsl.ru/ru/record/01004617735. Ссылка активна на 02.02.2020.
- Boldt-Burisch K, Naeth MA, Schneider BU, et al. Linkage between root systems of three pioneer plant species and soil nitrogen during early reclamation of a mine site in Lusatia, Germany. Resoration Ecology. 2015; 23(4):357-365. https://doi.org/10.1111/rec.12190.
- Семенов М.В., Манучарова Н.А., Степанов А.Л. Распределение метаболически активных представителей прокариот (архей и бактерий) по профилям чернозема и бурой полупустынной почвы // Почвоведение. – 2016. – № 2. – С. 239–248. [Semenov MV, Manucharova NA, Stepanov AL. Distribution of metabolically active prokaryotes (Archaea and Bacteria) throughout the profiles of chernozem and brown semidesert soil. Pochvovedenie. 2016;(2):239-248. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0032180X16020106.
- Bergmann GT, Bates ST, Eilers KG, et al. The under-recognized dominance of Verrucomicrobia in soil bacterial communities. Soil Biol Biochem. 2011;43(7):1450-1455. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.03.012.
- Semenov MV, Chernov TI, Tkhakakhova AK, et al. Distribution of prokaryotic communities throughout the Chernozem profiles under different land uses for over a century. Appl Soil Ecol. 2018;127:8-18. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2018.03.002.
- Elliott DR, Thomas AD, Hoon SR, Sen R. Niche partitioning of bacterial communities in biological crusts and soils under grasses, shrubs and trees in the Kalahari. Biodiversity Conservat. 2014;23(7):1709-1733. https://doi.org/10.1007/s10531-014-0684-8.
- Pershina EV, Ivanova EA, Korvigo IO, et al. Investigation of the core microbiome in main soil types from the East European plain. Sci Total Environ. 2018;631:1421-1430. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.136.
Supplementary files
