Разнообразие микробного сообщества пресного озера Баунт

Микроорганизмы вносят существенный вклад в круговорот веществ и энергии в озерных экосистемах. Они играют ведущую роль в формировании химического состава воды и донных отложений, в процессах самоочищения. Особенности и изменения микробного сообщества можно рассматривать как индикатор неблагоприятного состояния экосистемы.

Озеро Баунт расположено в Баунтовском районе Республики Бурятия, в западной части Баунтовской котловины, в зоне многолетней мерзлоты. Озеро занимает третье место в Бурятии по площади поверхности воды после озер Байкал и Гуси-ного.Микробные сообщества озера Байкал, озера Гусиное и других крупных пресных озер Бурятии ранее были изучены, определены особенности их состава, выявлены индикаторы антропогенного загрязнения [Парфенова и др., 2013; Tsydenova et al., 2018; Dagurova et al., 2021; Zaitseva, Dagurova, 2021]. Микробное сообщество озера Баунт ранее не изучалось.

Цель данного исследования — определить особенности микробного сообщества озера Баунт и сравнить с микробными сообществами пресных озер Бурятии.

Объекты и методы исследования

Озеро Баунт расположено на высоте 1 050 м над уровнем моря. Площадь озера — 111 км2, средняя глубина — 17 м. В 1988 г. ему присвоен статус памятника природы. На северо-восточном берегу расположен поселок Баунт, на юго-западном берегу на горячем источнике — курорт Баунт. Уровень воды в озере непостоянный и зависит в основном от атмосферных осадков. Воды озера гидрокарбонатно-кальциевые, с низкой минерализацией. Температурный и газовый режим озера Баунт во многом определяют климатические условия региона. Для озера характерен короткий период летнего прогрева поверхностных вод с сохранением в течение года низких температур в придонных слоях. По уровню первичной продукции и развитию планктонного и донного сообществ озеро Баунт соответствует олиготрофному типу водоемов [Халбаева и др., 1987].

Образцы воды из озера Баунт были отобраны в августе 2020 г. на южном берегу озера, в районе мыса Трехстенка, из поверхностных слоев воды. Вода была отобрана в стерильную посуду, отфильтрована через нитроцеллюлозные фильтры с диаметром пор 0,22 мкм до забития фильтра.

Выделение ДНК производили классическим методом с использованием CTAБ (гексадецилтриметиламмониум бромид). ПЦР продукты очищали по методике, рекомендованной фирмой Illumina, с использованием магнитных частиц AMPureXP (Beckman Coulter, США). Секвенирование проводили в ЦКП «Геномные технологии, протеомика и клеточная биология» ФГБНУ ВНИИСХМ на секвенаторе MiSeq (Illumina). Очищенные препараты ДНК использовались для создания библиотек фрагментов гена 16s рРНК методом ПЦР с применением универсальных праймеров на вариабельный участок V4: F515/R806 (GTGCCAGCMGCCGCGGTAA /GGACTACVSGGGTATCTAAT) [Bates et al., 2010], c присоединенными адаптерами и уникальными баркодами компании Illumina. Первоначальная обработка полученных данных проводилась с помощью программного обеспечения компании Illumina (Illumina, США). Для обработки данных использовали программные пакеты dada2, phyloseq и DECIPHER [McMurdie, Holmes, 2013; Wright, 2016], работа осуществлялась в программной среде R. Для представления данных таксономического анализа использовались средства программного пакета QIIME [Caporaso et al., 2010].

Результаты и обсуждение

В микробном сообществе количество вариантов последовательностей ампликонов (Amplicon sequence variant, ASV) колебалось от 284 до 318 (таблица 1). Индекс разнообразия Шеннона находился в диапазоне от 4,40 до 4,86. Значения индекса Шеннона были выше, чем определенные для прибрежных вод озера Байкал [Парфенова и др., 2013; Галачьянц и др., 2017] и озер Еравнинской группы, также расположенных на Витимском плато [Dagurova et al., 2021].

Таблица 1

Показатели видового богатства микробного сообщества воды озера Баунт

Станция	Количество прочтений (ридов)	ASV, Amplicon sequence variant	Индекс Шеннона
Баунт 8 (м. Трехстенка, к центру озера)	16 094	284	4,86
Баунт 9 (м. Трехстенка, у берега)	17 804	301	4,81
Баунт 10 (м. Трехстенка, от берега 30 м)	21 809	295	4,81
Баунт 11 (м. Трехстенка, за скалой, у берега)	21 114	307	4,83
Баунт 12 (м. Трехстенка, от курорта Баунт 400 м)	31 706	318	4,40
Среднее значение	21 706	301	4,74

В микробном сообществе всех озер на уровне крупных филогенетических групп (филумов) доминировали представители Gammaproteobacteria (14–26 %), Actinobacteriota (16–27 %), Bacteroidota (13–43 %), Alphaproteobacteria (8–15 %), Verrucomicrobiota (9–14 %), Planctomycetota (2–5 %), Cyanobacteria (2–4 %) (рис. 1).

Рис. 1. Состав микробного сообщества воды озера Баунт (на уровне филумов)

Распространение этих филумов типично для пресноводных микробных сообществ, расположенных в разных географических зонах мира [Newton et al., 2011]. На рисунке 2 представлены средние значения распределения бактериальных филу-мов в микробных сообществах ранее изученных нами крупных пресноводных озер Бурятии и в прибрежной зоне озера Байкал.

Рис. 2. Состав микробного сообщества воды (на уровне филумов) крупных пресноводных озер Бурятии: озера Прибайкалья (Гусиное, Котокель, Щучье), Еравнинские озера (Сосновое, Большое Еравное, Гунда, Исинга), озеро Байкал (зона уреза воды, восточное побережье)

Основные филумы, обитающие в озере Баунт, были присущи также другим пресным озерам региона, обнаруживая различия в количественном распределении групп в сообществе. Озеро Баунт отличалось от других озер меньшим содержанием Gammaproteobacteria и Cyanobacteria , повышенным содержанием Actinobacteriota, Verrucomicrobiota и Planctomycetota . Также значительную долю в сообществе озера Баунт занимают другие филумы и неклассифицированные бактерии, не отнесенные ни к одной группе. В микробном сообществе Еравнинских озер, также расположенных на Витимском плоскогорье в зоне вечной мерзлоты, возрастала доля филумов Betaproteobacteria, Firmicutes, Deinococcus-Termus. Сдвиги в микробном сообществе могут стать индикатором климатогенного и антропогенного влияния на Еравнинские озера, что также подтверждается высокой долей условно-патогенных бактерий [Dagurova et al., 2021].

На уровне рода во всех пяти точках отбора доминировали неклассифицируемые представители семейства Comamonadaceae (в среднем 9,01 %) (табл. 2).

Таблица 2

Таксон (на уровне рода)	Баунт 8	Баунт 9	Баунт 10	Баунт 11	Баунт 12	Среднее
Aliiglaciecola (Aliiglaciecola litoralis)	1,35	2,80	2,22	2,00	0,94	1,86
Aphanizomenon NIES81	0,28	1,14	0,13	2,92	0,10	0,91
“Candidatus Aquirestis ”	3,34	0,60	2,76	1,15	0,99	1,77
“Candidatus Methylopumilus ”	2,16	2,97	2,76	1,59	1,25	2,15
Caulobacter	0,17	0,69	0,80	1,59	0,31	0,71
Chthoniobacter	0,57	1,43	4,01	0,21	1,20	1,48
CL500-29 marine group	2,96	7,07	5,05	4,22	2,08	4,27
Cyanobium PCC-6307	1,20	1,34	1,02	0,87	2,32	1,35
Flavobacterium	2,91	2,44	1,66	0,57	34,52	8,42
Fluviicola	1,29	0,52	1,44	0,63	4,87	1,75
GKS98 freshwater group	0,98	0,46	1,16	0,38	0,90	0,78
hgcI clade	5,34*	10,90	9,01	6,93	3,49	7,13
Luteolibacter	0,25	0,25	0,72	0,10	1,24	0,51
Mycobacterium	1,39	0,60	0,92	1,70	0,46	1,01
Novosphingobium	0,85	2,09	2,09	0,39	0,11	1,10
Pedobacter	0,20	0,47	0,61	1,55	0,38	0,64
Pirellula	1,30	0,74	0,54	2,19	0,31	1,02
Polynucleobacter	2,68	2,22	3,49	3,10	2,46	2,79

*Жирным шрифтом отмечены 3 максимальных значения в каждом столбце

Среднее значение численности доминирующих родов в микробном сообществе озера Баунт, %

Семейство Comamonadaceae большая и физиологически разнообразная группа бактерий, обычных обитателей естественных местообитаний — воды, почвы, растений. Большинство из них мезофилы. Данные микроорганизмы известны своей способностью образовывать метаболические связи с различными фотоавтотроф-ными организмами. Также к распространенным в сообществе родам относились представители клад hgcI clade (в среднем 7,13 %) и CL500-29 marine group (в среднем 4,27 %). Эти группы широко распространены в пресноводных экосистемах. В крупнейшем озере Европы Балатон эти клады также доминировали в микробном сообществе [Farkas et al., 2020]. Клада CL500-29 marine group была повсеместно представлена в воде экосистем с ледниковым питанием [Zhang et al., 2021], в поверхностных слоях воды олиготрофного высокогорного озера Павин, Франция [Hugoni et al., 2017].

В точке отбора Баунт 12 около курорта Баунт треть микробного сообщества составляли бактерии рода Flavobacterium (34 %). В остальных точках их количество составляло 0,57–2,91 % (табл. 2). Бактерии рода Flavobacterium (а также клады hgclclade), известные своей способностью продуцировать внеклеточные ферменты, были рассмотрены как показатели эвтрофикации в антропогенно модифицированных речных участках [Małecka-Adamowicz et al., 2021]. Однако род Flavobacterium (семейство Flavobacteriaceae) широко распространен в холодноводных экотопах, ряд таксонов относится к психроактивным, благодаря защитным свойствам за счет выработки ферментов и высокого содержания жирных кислот [Li et al., 2015; Башенхаева и др., 2017]. Представители этого семейства доминировали в планктоне литоральной зоны и в подледных сообществах озера Байкал [Парфенова и др., 2015; Башенхаева и др., 2017].

Также в сообществе были распространены бактерии Candidatus Methylopumilus (в среднем 2,15 %), Polynucleobacter (в среднем 2,79 %) неклассифицированных родов семейства Beijerinckiaceae (в среднем 2,15 %).

Семейство Beijerinckiaceae включает хемоорганотрофные бактерии, способные к аэробной фиксации азота, а также метанотрофные и метилотрофные аэробные бактерии. Представители таксона Candidatus Methylopumilus относятся к мети-лотрофным бактериям, многочисленны в холодном гиполимнионе Цюрихского озера, что указывает на их психрофильный рост [Salcher et al., 2015].

Бактериальный таксон Polynucleobacter представляет собой группу планктонных пресноводных бактерий, повсеместно распространенных в стоячих пресноводных местообитаниях. Экстраполирована средняя относительная численность этого подвида (20 %) в мировых пресноводных местообитаниях [Jezberová et al., 2010]. Было показано, что увеличение численности бактерий некоторых пресноводных таксонов, в том числе и Polynucleobacter , может являться индикатором возможного антропогенного и климатогенного влияния на озера Бурятии [Zaitseva, Dagurova, 2021].

Следует отметить, что в микробном сообществе озера Баунт не обнаружено таксонов, являющихся индикаторами антропогенного загрязнения, в отличие от Еравнинских озер, также расположенных в Витимском плоскогорье на вечномерзлотных линзах, где были обнаружены условно-патогенные бактерии и выявлены сдвиги в таксономическом составе сообщества, указывающие на недостаточное качество воды в результате антропогенного воздействия [Dagurova et al, 2021].

Заключение

Таким образом, изучен состав микробного сообщества воды крупного пресного озера Баунт, расположенного в зоне вечной мерзлоты. Видовое богатство бактериопланктона, определенное по индексу разнообразия Шеннона, было выше, чем в озере Байкал и других пресных озерах Бурятии. Микробное сообщество в основном состоит из бактериальных филумов, типичных для пресноводных озер: Gammaproteobacteria, Actinobacteriota, Bacteroidota, Alphaproteobacteria, Verrucomicrobiota, Planctomycetota, Cyanobacteria. Основные филумы, обитающие в озере Баунт, были присущи также другим пресным озерам региона, обнаруживая различия в количественном распределении групп в сообществе. Озеро Баунт отличалось от других озер меньшим содержанием Gammaproteobacteria и

Cyanobacteria , повышенным содержанием Actinobacteriota, Verrucomicrobiota и Planctomycetota . Также значительную долю в сообществе озера Баунт занимают другие филумы и неклассифицированные бактерии, не отнесенные ни к одной группе. Доминирующие в сообществе озера таксоны широко распространены в холодноводных экотопах мира. Выявлено значительное количество метилотро-фных бактерий. В микробном сообществе озера Баунт не обнаружено таксонов, являющихся индикаторами антропогенного загрязнения, в отличие от Еравнин-ских озер, также расположенных в Витимском плоскогорье на вечномерзлотных линзах, где выявлены прогностические риски.