Микробиология, метагеномика. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Динамика про- и эукариотического микробиома соломы при её разложении на поверхности почвы
Статья научная
Технологии no-till приобретают все большее распространение, поскольку позволяют получать высокие урожаи с меньшими затратами, при этом снижая деградацию почв (G.A. Thomas с соавт., 2007). Одним из ключевых вопросов при no-till остается регулирование количества и качества мульчи. При no-till обязательно использование гербицидов и пестицидов, что увеличивает опасность накопления в мульче их остаточного количества. Для решения этих проблем может использоваться разработанный во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной микробиологии биологически активный препарат БАГС, способный разлагать прометрин и обладающий высокой целлюлозолитической активностью. В настоящей работе впервые показано значительное изменение сукцессии и состава микробиомов соломы под влиянием БАГС, однако, несмотря на повышение активности микроорганизмов, за 68 сут существенного роста эффективности деструкции в варианте с биопрепаратом не обнаружено. Цель работы - изучить динамику про- и эукариотического микробиомов соломы в условиях, когда ее разложение происходит на поверхности почвы в присутствии препарата БАГС. Лабораторный опыт с компостированием соломы овса (Avena sativa L.) на поверхности почвы был поставлен в пластиковых контейнерах объемом 1 л. На поверхность почвы укладывали капроновую ткань, на которую помещали по 15 г измельченной соломы. Предварительно солому замачивали на 2 ч в растворе NH4NO3 из расчета 5 г N/кг соломы. Контролем служила солома без обработки препаратом БАГС. В опытном варианте во влажную солому вносили 10 % БАГС. В начале опыта и через 30 и 68 сут в соломе определяли численность грибов и бактерий методом ПЦР в реальном времени (ПЦР-РВ), содержание нитратов, водорастворимого углерода, зольность и дыхание, а также общую потерю массы. В те же сроки проводили анализ прокариотических и эукариотических микробных сообществ соломы при помощи глубокого секвенирования ампликонных библиотек гена 16S рРНК (прокариоты) и ITS (эукариоты). Солома овса быстро разлагалась - на 30-е сут потеря массы составила 31-35 %. Внесение БАГС увеличило выделение углекислоты на 30-е сут (569±36 против 394±67 мг СО2·м-2·ч-1 в контроле), на 68-е сут разница составляла 8 %. Высокая активность микроорганизмов привела к большему потреблению ими легкодоступных питательных веществ, что было видно по уменьшению количества водорастворимых органических соединений в 1,6-1,8 раза и нитратного азота в 1,8-1,4 раза относительно контроля. Вероятно, в условиях опыта недостаток минерального азота стал одним из факторов слабой эффективности БАГС как деструктора соломы по сравнению с контролем: на 68-е сут зольность оказалась выше на 11,6 %, а потеря массы соломы - на 5 %. Пересчет абсолютного числа копий гена 16S рPНК и ITS (ПЦР-РВ) в число клеток показал, что при деструкции соломы численность бактерий превышала численность грибов в 3,6-4,1 раза, однако, если учесть разницу в массе и объеме про- и эукариотических клеток, биомасса грибов может превышать бактериальную в сотни (до 500) раз. Анализ альфа-разнообразия для грибов выявил классическую картину сукцессии (низкий индекс Шеннона и меньшее число видов в начале опыта с последующим ростом биоразнообразия), что может служить косвенным подтверждением ведущей роли грибов в процессе деструкции соломы. Показано, что до 60 % представителей исходных прокариотического и эукариотического сообществ соломы не принимали значимого участия в ее разложении и замещались другими микроорганизмами. Наибольшие изменения состава микробиомов происходили в течение первых 30 сут, различия между показателями на 30-е и 68-е сут оказались невелики. Наряду с грибами при анализе эукариот (ITS) были выявлены и другие их представители, в частности растения, нематоды и протисты. Нематоды и протисты занимали заметное место в микробиоме - соответственно до 17,9 и 21,4 %. Биопрепарат БАГС оказал существенное влияние на эукариотическое сообщество на 30-е и 68-е сут: относительная представленность протистов возросла в 4-10 раз по сравнению с контролем, уменьшилась роль базидиомицетов. На 68-е сут соотношение аскомицетов и базидиомицетов составляло соответственно 1,49 и 4,30. Доля Coprinopsis radiata (навозник радиальный) уменьшилась на 30-е сут в 2 раза, а на 68-е сут - в 11 раз. Биопрепарат БАГС в условиях нашего эксперимента слабо повлиял на численность микроорганизмов и скорость деструкции соломы за 68 сут, однако под его воздействием существенно изменялась структура про- и эукариотических микробных сообществ и их сукцессия. Условия повышения эффективности применения БАГС, учитывая его потенциал по деградации пестицидов, предполагается более детально проанализировать в дальнейших экспериментах.
Бесплатно
Статья научная
В подавляющем большинстве микробные препараты создаются на основе чистых культур микроорганизмов. Использование подобных препаратов вполне оправдано и результативно в случае азотфиксации в симбиозе ризобий с бобовыми или биоконтрольных свойств бацилл. Однако если речь идет о почвенных процессах, обусловливающих круговорот биогенных элементов, в частности о трансформации растительных остатков, микробные препараты на основе чистых культур оказываются недостаточно эффективными и стабильными, причем даже тогда, когда используются сконструированные консорциумы из смеси нескольких видов микроорганизмов. Связано это с тем, что микробиологические процессы в почве осуществляются не отдельными видами, а микробными сообществами со сложной сетевой организацией. Поэтому более перспективной альтернативой является мобилизация нативных целлюлозоразлагающих сообществ в виде микробных препаратов. Именно таков микробный препарат БАГС (биологически активный грунт на соломе), создание предшественника которого началось во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной микробиологии в 1930-е годы. В настоящей работе с помощью метагеномных методов анализа впервые получены данные о таксономическом составе прокариотического и эукариотического сообществ двух последовательно приготовленных партий препарата БАГС (препарат из первой партии выступал в качестве инокулюма). Кроме того, сопоставление микробного состава зрелого БАГС, основных компонентов, используемых при его приготовлении (торф, солома), и почвы как источника гуматразлагающих бактерий позволило сделать предположение о происхождении мажорных прокариотических компонентов микробиоты препарата. Цель работы - с использованием метагеномного анализа исследовать таксономический состав консорциума двух партий микробного препарата БАГС и компонентов, используемых при его приготовлении. Объектами исследования были микробный препарат БАГС - готовый зрелый препарат, полученный в результате компостирования торфо-соломисто-минеральной смеси и инокулюма в течение 11 мес (последний из серии многолетних периодических возобновлений в течение не менее 20 лет); инокулюм - зрелый препарат БАГС предыдущего приготовления (15 мес компостирования); торф - произвесткованный верховой сфагновый торф (пос. Форносово, Ленинградская обл., степень разложенности 15 %); солома - сухая измельченная солома овса; почва - дерново-подзолистая, легкосуглинистая (пос. Белогорка, Ленинградская обл.). Для приготовления БАГС в произвесткованный доломитовой мукой до рН 6,4 торф вносили солому овса (10 % от массы торфа), азофоску (10 г д.в. по азоту/кг соломы) и инокулюм (20 % от массы торфа). Смесь увлажняли до 60 % от полной влагоемкости, перемешивали, расфасовывали в пластиковые емкости объемом 90 л и инкубировали в течение 11 мес при 28 °С, периодически увлажняя и перемешивая. Микробиологический анализ, включая бактериальный и грибной компоненты, проводили с использованием метода глубокого секвенирования ампликонных библиотек гена 16S рРНК (прокариоты) и ITS (грибы). Данные анализировали при помощи пакета dada2, основные анализы (альфа- и бета-разнообразие, барграфы и теплокарты) выполняли при помощи пакета phyloseq и tidyverse в программной среде R. Анализ PERMANOVA проводили с использованием пакета vegan. По данным анализа таксономического состава БАГС, основные компоненты бактериальных сообществ обеих партий препарата БАГС, один из которых выступал в качестве инокулюма, относились к представителям фил Pseudomonadota (27-32 %), Planctomycetota (11-14 %) и Bacteroidota (10-11 %), а основными компонентами грибного сообщества были представители классов Sordariomycetes , Mucoromycetes и Leotiomycetes . Показано, что к концу срока компостирования бактериальная часть сообщества БАГС более стабильна, чем грибная, и очень близка к составу инокулюма, тогда как эукариотическая мажорная компонента больше подвержена влиянию микробиома торфа. При этом за годы воспроизводства БАГС сформировался его собственный уникальный микробиом. Около 12 % от всех таксонов в БАГС оказались уникальными и присущими только ему, а на долю микробной массы уникальных таксонов в сообществе препарата приходилось 93 % от общего их числа.
Бесплатно
