Разлагают полимеры. Ученые исследовали структуру микробных сообществ донных отложений Белого моря

4 августа 2024 4 мин.

Исследователи биологического факультета МГУ в составе коллектива авторов провели исследование микробных сообществ донных отложений Кандалакшского залива Белого моря. Удалось выявить выраженную стратификацию микробных сообществ донных отложений, которая объясняется способностью микроорганизмов использовать либо лабильные, легко усваиваемые органические соединения (верхние слои отложений), либо, в условиях недостатка кислорода, разлагать сложные полимерные субстраты (слои донных отложений на глубине 30-50 см).

Среди последней группы обнаружено много микроорганизмов, неизвестных в лабораторных культурах, и, предположительно, обладающих ценными для биотехнологии гидролитическими ферментами. Результаты исследования, поддержанного грантом Минобрнауки № 075-15-2021-1396 в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты», опубликованы в журнале «Microbiology».

В Кандалакшском заливе Белого моря органическое вещество синтезируется фитопланктоном и макроводорослями, а также поступает с речными стоками с континента, обуславливая дальнейшее формирование сложных трофических цепей, включающих разнообразную морскую фауну. Однако часть органического вещества попадает на дно залива, где идет разложение сложных биомолекул бактериями и археями и возвращение биогенных элементов в их биогеохимические циклы.

Органтрофные микроорганизмы, таким образом, играют важную роль в поддержании равновесия в морских экосистемах. Несмотря на то, что в Кандалакшском заливе давно ведутся разнообразные микробиологические исследования, состав микробных сообществ донных отложений там оставался неисследованным.

Целью исследования микробных сообществ Кандалакшского залива было определение состава микробных сообществ в разных точках залива и на разной глубине от поверхности отложений. Отбор проб проводился в июне-июле 2022 г. во время морских экспедиций на научных судах с помощью 3-метрового гравитационного керна. Из кернов были отобраны пробы, соответствующие глубинам 2, 10, 30 и 50 см ниже морского дна. Всего было отобрано 55 образцов.

Из всех образцов была выделена ДНК и проведена полимеразная цепная реакция с праймерами, специфичными к вариабельным участкам гена 16S рибосомальной РНК (рРНК). Этот ген в 80-е годы ХХ века был выбран в качестве маркера, позволяющего определить место бактерии или археи в общей системе прокариот. С тех пор приложение анализа генов 16S рРНК к природным образцам изменило наши представления о разнообразии прокариот, выявив много новых микроорганизмов, ранее некультивировавшихся в лабораторных условиях.

Нуклеотидные последовательности продуктов амплификации, полученных из беломорских образцов, были определены путем высокопроизводительного секвенирования (NGS — new generation sequencing), и соответствующие им микроорганизмы были идентифицированы путем сравнения с базами данных. В результате были получены горизонтальные и вертикальные профили микробных сообществ донных отложений Белого моря.

Оказалось, что по результатам секвенирования все образцы можно подразделить на две группы: основная часть образцов имела выраженную стратификацию, а сообщества нижних отложений существенно отличались от верхних. Однако небольшая часть образцов была отобрана в котловинах, где скопилось большое количество органического вещества, которое активно разлагалось. В этих образцах стратификации не было, и состав микроорганизмов в них по всем слоям совпадал с составом сообществ в верхних слоях стратифицированных образцов (2 и 10 см).

Образцы, отобранные с морского дна

Таким образом, стало ясно, что и по всей толщине образцов из котловин, и в верхних слоях остальных образцов идет активное разложение легкодоступного органического вещества. Основными доминирующими группами микроорганизмов в этих образцах были бактерии рода Woesia, а также некультивируемые органотрофные бактерии семейства Sandaracinaceae и порядка Actinomarinales. Среди сульфатредукторов, встречающихся в верхних горизонтах осадков, наиболее многочисленными группами были SEEP-SRB1 и Sva0081 — некультивируемые микроорганизмы, широко распространенные в морских осадках.

В нижних слоях стратифицированных донных отложений (30 и 50 см) возрастала доля микроорганизмов, потенциально участвующих в деградации сложных соединений — представителей семейства Hyphomicrobiaceae, родов Mycobacterium и Desulfatiglans. Увеличилась и доля прокариот с неизвестным метаболизмом, таких как JS1, SG8-4, WCHB1-81, S085, распространенных в морских осадках по всему миру.

Нам удалось выявить целевые группы микроорганизмов, обладающих гидролитическими ферментами, с помощью которых идет разложение сложных биополимеров, захороненных в анаэробных условиях. Это полимеры макроводорослей — агар и альгинат, полимер панцирей беспозвоночных животных — хитин и попадающий на морское дно со стоками с суши лигнин. Метагеномный анализ этих же сообществ даст информацию о возможных путях культивирования неизвестных микроорганизмов, а также обеспечит прямой доступ к новым гидролитическим ферментам, очень важным для современной биотехнологии.