Таксономический состав микробных сообществ в зимний период в соленых озерах Баргузинской котловины (Россия) на основе shotgun метагеномного секвенирования

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-24-20050, .

Сульфатное озеро Гуджирганское и содовое озеро Нухэ-Нур, расположенные на территории Баргузинской котловины, — это полиэкстремальные системы, которые демонстрируют щелочные значения рН (до 11,6) в сочетании с высокой минерализацией (до 136 г/л) [Lavrentyeva et al., 2023]. Баргузинская котловина относится к Байкальской рифтовой зоне, для которой характерны криоаридный климат и значительные перепады температуры в течение года. Годовая амплитуда абсолютных температур воздуха достигает 90 °C, максимальная температура воздуха летом составляет +38 °C, минимальная зимой –52 °C [Намсараев и др., 2007]. Несмотря на небольшую площадь водосбора, озера в засушливые годы не пересыхают. Это связано с тем, что они питаются в основном за счет сброса подземных вод и лишь частично за счет атмосферных осадков и наземного стока [Плюснин и др., 2020].

В соленых озерах микроорганизмы являются ключевыми компонентами с их высоким генетическим разнообразием, играющим важную роль в круговороте элементов [Sorokin et al., 2014]. Микробные сообщества соленых озер чувствительны к факторам окружающей среды (концентрация солей, рН, температура и др.) и эти экологические условия в целом определяют состав, структуру и функциональную активность микробного сообщества. Однако данные о таксономическом разнообразии микробного сообщества соленых озер в зимний период все еще остаются фрагментарными [Lavrentyeva et al., 2023].

Цель — провести сравнительный анализ таксономической структуры микробных сообществ двух соленых озер Баргузинской котловины в зимний период для выявления ключевых доминирующих таксонов.

Материал и методы

Объектами исследования являлись содово-соленое озеро Гуджирганское (54º01’890» с. ш. 110º16’537» в. д., высота 493 м над ур. м.) и содовое озеро Нухэ-Нур (южное) (54°01′252′′ с. ш. 110°15′870′′ в. д., высота 472 м над ур. м.). Озеро Гуджирганское является мелководным (до 0,2 м) и имеет относительно малую площадь — 0,3 км2. Глубина озера Нухэ-Нур 1,6 м, площадь составляла 2–2,5 км2. В зимний период озера полностью покрыты льдом.

Образцы донных осадков отбирали в феврале 2025 г. с помощью ледобура в пяти случайно выбранных участках озер (слой осадков 0–10 см) по 10 г стерильной ложкой и помещали в стерильный пластиковый контейнер [Pawlowski et al., 2022]. Затем интегральную пробу перемешивали до гомогенизированного состояния. Для метагеномного анализа 1 мг образцов донных осадков из интегральной пробы отбирали в стерильные пластиковые пробирки эппендорф объемом 1,5 мл и доставляли в лабораторию. Выделение ДНК с использованием набора РИБО-преп (производитель «АмплиСенс») и подготовку библиотеки с использованием KAPA HyperPrep Kit проводили согласно рекомендациям производителя в центре геномных технологий «Сербалаб», г. Санкт-Петербург (https://cerbalab. ru/). Секвенирование осуществлялось на приборе DNBSEQ-G400 (MGI, Китай / США) в режиме парноконцевых прочтений с длиной прочтений 150 п. н. Сборка метагенома осуществлялась в программе MEGAHIT (v1.2.9), предназначенной для сборки фрагментированных метагеномных данных. Качество полученных библиотек было оценено на приборе TapeStation — Agilent 2100 (Bioanalyzer systems). В качестве входных данных использовались очищенные риды, минимальная длина контигов при сборке составляла 500 п. о. Качество сборки оценивалось по стандартным показателям (число контигов, N50, средняя длина). Таксономическое профилирование выполнялось с использованием MetaPhlan v4.0.6 [Blanco-Míguez et al., 2023]. Все полученные последовательности зарегистрированы в мировой базе данных NCBI (PRJNA1376216 winter Gudzh; PRJNA1376219 winter N-N).

Результаты и обсуждение

В зимний период рН талой воды в озере Гуджирганское составил 8,7, минерализация — 109 г/дм3. Определение катионно-анионного состава талой воды в зимний период показало доминирование среди катионов натрия (33 440 мг/дм3), в анионном составе воды доминировали сульфаты — 49 174 мг/дм3. Значение рН талой воды в озере Нухэ-Нур составило 9,6, минерализации — 11 г/дм3.

Исследование гидрохимического состава воды озера Нухэ-Нур в зимний период показало, что доминирующим катионом являлся Na+ — 2 941 мг/дм3, концентрация ионов Mg2+ составила 37 мг/дм3. Щелочная рН воды озера создается за счет высоких концентраций ионов HCO3- и CO32-, содержание которых достигало 4 639 мг/дм3 и 599 мг/дм3. Концентрация сульфатов в воде была незначительной и составила 83,2 мг/дм3. Температура воздуха в феврале 2025 г. составила –23 ℃.

Таксономический состав микробных сообществ в изученных озерах представлен доменами Bacteria и Archaea. Доля бактерий в озере Гуджирганское составила 98,7 %, тогда как доля архей — 0,7 % (рис. 1). Археи были представлены только филой Euryarchaeota , бактерии были представлены филами

Actinomycetota (55,1 %), Pseudomonadota (19,3 %), Bacillota (11,9 %), Balneolota (7,1 %) и Bacteroidota (3,49 %). В составе сообщества озера Нухэ-Нур доля бактерий составила 99,1 %, а доля архей составила 0,8 %. Археи были также представлены только филой Euryarchaeota , бактерии — филами Pseudomonadota (78 %), Cyanobacteriota (3 %), Planctomycetota (1,69 %), Actinomycetota (1,5 %) и Bacteroidota (0,9 %).

Рис. 1 . Таксономический состав на уровне филумов в изученных озерах

На уровне рода показаны различия в структуре доминирующих компонентов микробных сообществ двух исследуемых озер (рис. 2). В структуре сообщества озера Гуджирганское доминировал род Cutibacterium (ранее Propionibacterium , фила Actinomycetota ) с долей 48,7 %, что не характерно для классических гиперсоленых сред. Cutibacterium — липофильный, грамположительный, аэротолерант-ный анаэроб, представители этого рода в основном ассоциированы с микробиотой кожи животных и человека [Shafiuddin et al., 2025].

Их массовое присутствие может указывать на сильный антропогенный или зоогенный фактор (например, наличие водопоя) в озере Гуджирганское или может указывать на локальное обогащение среды липидами или другими сложными органическими соединениями, например, вследствие разложения растительных остатков. В то же время можно допустить, что это может быть уникальная линия водных актинобактерий, адаптированная к специфическому составу органического вещества в соленых озерах.

Вторую по значимости группу (около 20 %) составляют облигатно алкалифиль-ные и галоалкалифильные фотогетеротрофы и хемолитотрофы: Roseinatronobacter (7,47 %), Rhodohalobacter (6,90 %) и Thioalkalivibrio (5,24 %) [Boldareva et al., 2008;

Xia et al., 2017; Sorokin et al., 2015]. Хемолитоавтотрофные галоалкалофильные бактерии Thioalkalivibrio (5,2 %), окисляющие серу, процветают в высокощелочной среде с pH 9,5–11,0 и ранее были выделены из различных содовых озер по всему миру. Представители этого рода характеризуются универсальным энергетическим метаболизмом, поскольку они способны использовать различные доноры и акцепторы электронов [Ahn et al., 2017].

Рис. 2 . Таксономический состав на уровне родов в изученных озерах

Подавляющее количество представителей рода Halomonas (66,7 %) филума Pseudomonadota зафиксировано в донных осадках озера Нухэ-Нур. Этот род объединяет гетеротрофные, чаще всего гало- и алкалитолерантные, бактерии, которые обнаружены во многих соленых щелочных системах по всему миру [Hernández-Soto et al., 2023]. В ранее проведенных нами исследованиях этим же методом в летний период также обнаружены представители рода Halomonas . Их численность в летний период составила 10,83 %. Способность Halomonas к разнообразному метаболизму (окисление углеводов, ароматических соединений, белков, в некоторых случаях нитратное дыхание), вероятно, обусловливает их обилие в этих экстремальных условиях. Содоминантами являлись представители филумов Bacillota ( Alkalibacterium , 11,8 %) — облигатно алкалифильные бактерии и Pseudomonadota (класс Gammaproteobacteria ) рода Thiocapsa — 5,9 %, аноксигенная фототрофная пурпурная серная бактерия [Asao et al., 2007]. Вероятно, в придонных бескислородных зонах происходят процессы восстановления серы.

Присутствие Methanobacterium (0,8 %) в озере Нухэ-Нур подтверждает распространение анаэробных зон.

Высокая доля классифицированных только до уровня гипотетических групп (GGB), особенно в озере Нухэ-Нур, подчеркивает, что изученные экосистемы могут содержать уникальное микробное разнообразие, еще не представленное в референсных базах данных. Эти некультивируемые линии могут играть в биогеохимических циклах озер важную, но пока неизвестную роль.

Таким образом, анализ таксономического разнообразия микробных сообществ на уровне филумов и родов показал их различия между озерами. Показана высокая доля Balneolaeota в озере Гуджирганское и доминирование Cyanobacteriota только в озере Нухэ-Нур. Полученные данные подчеркивают высокую специфичность изученных микробных сообществ щелочных экосистем. В озере Гуджирганское отмечено доминирование нетипичного представителя филума Actinomycetota — Cutibacterium . Возможно, на развитие данной бактерии повлияло сочетание специфического органического субстрата и экстремальных факторов среды. Для подтверждения необходимы дальнейшие исследования, включающие определение органического состава донных осадков и оценку функционального потенциала в донных осадках двух изученных соленых озер.