Экстремофильные микробные сообщества засоленных почв и их разнообразие в регионе Прикаспийской низменности Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2017, том 23, № 2 (71), с. 52-56

——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ =====

УДК 631.46:631.461

ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫЕ МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ И ИХ РАЗНООБРАЗИЕ В РЕГИОНЕ ПРИКАСПИЙСКОЙ НИЗМЕННОСТИ1

© 2017 г. Э.А. Халилова, С.Ц. Котенко, Э.А. Исламмагомедова, Р.З. Гасанов, А.А. Абакарова, Д.А. Аливердиева

Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН Россия, 367000, Махачкала, ул. Гаджиева, д. 45. E-mail: [email protected]

Поступила 29.05.2016

Впервые исследована микробная флора солонцово-солончаковых почв и галофитов в регионе Прикаспийской низменности. Выявлено более 40 видов и форм бактерий. При большом разнообразии почвенных микроорганизмов, бактерии рода Bacillus и Salimicrobium основными компонентами являются экстремофильные микробные сообществ засоленных почв, выявление которых является одним из показателей определения таксономической структуры, тесно связанной с типом экосистемы. Ключевые слова: микробное разнообразие, галофильные бактерии, аридные экосистемы, засоленные почвы, концентрация солей

Высокий интерес к экстремофильным микроорганизмам в последние годы объясняется их биологической активностью. Известны фундаментальные работы, посвященные биоразнообразию, систематике, а также особенностям географического распределения бактерий в различных типах почв, взаимосвязи между засоленными почвами, генетическим разнообразием и структурой микробных сообществ (Добровольская и др., 2001, 2015; Добровольский и др., 2011). ^леные озера и засоленные почвы являются основными источниками для изоляции таких микроорганизмов. Республика Дагестан обладает многообразием природных ландшафтов, связанных с многими факторами, среди которых ведущее значение имеют повторяющиеся трансгрессии и регрессии Каспийского моря, прогрессирующие в условиях современного климатического потепления.

Согласно почвенно-географическому районированию Дагестана, исследуемая территория относится к Прикаспийской провинции светло-каштановых почв, солонцово-солончаковых комплексов и песков с признаками аридизации и опустынивания ландшафтов (Залибеков, 2000, 2010), где формируются условия для выживания уникальных галофильных микроорганизмов. Микробиота аридных экосистем оказывает влияние на содержание химических элементов, улучшение структуры почвы и повышение плодородия (Звягинцев и др., 2005). В пространственном масштабе состав микробного сообщества зависит от засоленности почв, степени токсичности солей и их распределения по профилю почвы. Обилие таких таксонов, как BRC1, Gemmatimonodates, практически не зависящих от уровня солености, указывает на высокую пластичность адаптационных качеств отдельных бактериальных филов. В микробных комплексах полупустынных почв наиболее распространены бактерии филумов Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes и Bacteroidetes с подразделением на уровне родовых признаков (Bhatnagar, Bhatnagar, 2005). Доминирующее положение над большим количеством филогенетических групп принадлежит галофильным и галотолерантным микроорганизмам родов Alcaligenes, Bacillus, Halobacillus, Micrococcus и Pseudomonas (Delgado-García et al., 2013; Arora et al., 2014), характерных для почв аридных условий. Несмотря на общепризнанную роль микробных сообществ в почвенных процессах, почвенная микрофлора исследована в недостаточной степени. До настоящего времени работы, связанные с исследованиями почвенных микроорганизмов в природных экосистемах регионе Прикаспийской низменности Дагестана, не проводились.

Целью исследований явилась оценка видового разнообразия экстремофильных микроорганизмов

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН 1.21. «Биологическое разнообразие природных систем. Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга».

ХАЛИЛОВА, КОТЕНКО, ИСЛАММАГОМЕДОВА

засоленных почв в рамках решения проблем комплексного изучения биологического разнообразия почв аридных экосистем и поиска почвенных микроорганизмов, перспективных для биотехнологии.

Объекты и методы исследования

Объектами исследований явились бактерии, изолированные из солончаковых почв и растительных образцов, типичных для одного из основных регионов Прикаспийской низменности республики Дагестан - Терско-Кумской низменности. Пробы почвы отобраны по горизонтам и с растения Halostachys caspica L., произрастающего в этом же ареале.

Географические координаты региона исследований: северо-восточная граница - 44°46' с. ш., 47°10' в. д.; юго-восточная - 44°22' с. ш., 47°00' в. д. Высотная отметка колеблется: от минус 27 м до плюс 10 м. Климат умеренно-теплый, острозасушливый. Годовое количество осадков не превышает 300 мм. Температура наиболее холодного месяца минус 1.5-3.5°С, наиболее теплого месяца +24-+26°С. Продолжительность периода вегетации составляет 180-210 дней. Сумма активных температур 3800-4000°С, испаряемость 900-950 мм.

Условия культивирования. Для идентификации видовой принадлежности микроорганизмов из почвенных и растительных суспензий все колонии бактерий, выросшие на дифференциально -диагностических средах, пересевали на мясо-пептонный агар (МПА) и мясо-пептонный бульон (МПБ) при 30-37°C (до 10 суток). Для выделения и дифференцированного учета галофильных бактерий использовали плотную модифицированную среду, представленную составом (г/л): Bacto Yeast Extract - 2.0, Bacto-Pepton - 5.0, N3C6H5O7X5.5 H2O - 3.0, NaCl - 50, 100, 250, KCl - 2.0, MgSO4x7 H2O - 20.0, глицерин - 4.0. Температурный диапазон роста и галотолерантность бактерий определяли по скорости роста колоний при температуре 30-37°C в течение 3, 7, 10 суток и по резистентности к NaCl (50, 100, 250 г/л среды).

Подготовку образцов почвы, исследование солевого состава водной вытяжки и инициацию микробной сукцессии проводили согласно традиционно используемым методикам (Звягинцев, 1992). При выделении чистых культур использовали бактерии, доминирующие в почвенных образцах. Морфологию бактериальных клеток изучали методом микроскопии живых и окрашенных по Граму препаратов стандартными методами. Фенотипические свойства микроорганизмов (морфология клеток, подвижность, наличие спорообразования, толерантность к концентрации солей и температуре) изучали с использованием стандартных методов (Нетрусов и др., 2005; Holt et al., 1997).

Результаты и их обсуждение

Формирование ландшафтов исследуемой территории происходило под регулярным воздействием трансгрессий и регрессий Каспийского моря. В геологическом отношении Терско-Кумская низменность представляет собой аккумулятивную равнину, сложенную морскими и континентальными верхнеплиоценовыми и четвертичными осадками морской, речной и эоловой аккумуляции (Акаев и др., 1972). Исследуемая территория расположена на микропонижениях, слабонаклонной равнине северо-западной части Терско-Кумской низменности в 3 км к юго-западу от Кочубейской биосферной станции. Подвержена активной дефляции и сильному засолению. В центральной части Терско-Кумской низменности к западу от пос. Кочубей расположено множество

Рис. 1. Опустыненный ландшафт солончакового типа Терско-Кумской

низменности.

солёных озёр, летом превращающихся в сильнозасоленные донные отложения. Солевому составу почв региона характерны хлоридно-сульфатный и сульфатно-хлоридный типы засоления (рис. 1).

Профиль луговых солончаков сложен легким и тяжелым суглинком, окраска светло-серая, выражено оглеение. Распространение солей и карбонатов отмечается вдоль трещин, крупных пор, ходов корней по всему профилю. Образование пухлых солончаков связано с накоплением в почве хлористых сернокислых солей натрия. Солончак пухлый в виде порошистой массы на поверхности, светлосерый с бурым оттенком, уплотнен, вскипает, легкий суглинок, подвержен сильной дефляции. Химизм засоления солончакового опустынивания в автоморфных условиях позволяет установить гидрокарбонатно-натриевый состав солей, что обусловливается аллювиально-морским происхождением почвообразующих пород и тяготеет к остепнению, аридизации (Залибеков, 2010).

В исследуемых типах почв (табл.) доминируют ионы легкорастворимых №++К+ и нерастворимых карбонатов Ca2+, анионов С1-, SO42", что согласуется с общепринятыми положениями.

Таблица. Химический анализ водной вытяжки различных видов солончаков (выполнено Бийбулатова З.Д.).

Глубина отбора проб, см Сухой остаток, % Сумма солей, % Анионы, ИГ—ЭКЕ Поглощенные основания, НГ-ЗКЕ pH

HCO3" Cl" SO42- Ca2+ Mg2+ Na++K+ по разности

Солончак луговой, сульфатно-хлоридный тип (А)

0-10 0.206 0.257 0.74 0.045 0.40 0.014 2.57 0.123 1.50 0.030 0.50 0.006 1.71 0.039 9.0

20-30 1.580 2.735 0.47 0.029 17.00 0.570 9.76 0.471 3.10 0.059 5.10 0.059 18.34 0.418 8.3

40-50 4.000 4.040 0.40 0.025 38.10 1.332 28.24 1.348 22.53 0.456 13.51 0.167 30.41 0.712 8.2

Солончак пухлый, хлоридно-сульфатный тип (Б)

0-10 2.486 2.286 0.49 0.037 22.61 0.763 15.18 0.719 5.40 0.141 11.54 0.127 22.31 0.499 8.4

20-30 4.098 4.305 0.19 0.008 34.40 1.721 21.45 1.481 16.83 0.322 10.29 0.124 29.67 0.649 7.5

40-50 2.767 3.009 0.23 0.013 23.50 0.718 26.87 1.241 13.65 0.259 8.17 0.199 26.21 0.579 8.0

Высокие концентрации солей в почве являются токсичными для растений и приводят к ингибированию микробного сообщества, в то время как в их отсутствии спороношение микробов практически не наблюдается. Ареалы засоленных почв занимают солянково-полынные сообщества, а также марево-галофитной растительностью. Одним из основных признаков хлоридно-сульфатного типа засоления является крупный кустарничек соляноколосник каспийский Halostachys caspica, включающий восемь видов гипергалофитных сообществ, распространённых на Кавказе и Центральной Азии. Растение является одним из основных ландшафтных фреатофитов полупустынь (глубина залегания грунтовых вод 0-15 м) и формируют на солончаках «фитобугры» диаметром 30100 см (рис. 2).

Исследование изолятов бактерий. В верхних горизонтах луговых почв и пухлых солончаков разнообразие бактерий резко обеднено из-за антропогенного воздействия и экстремальных условий, обусловленных сильным засолением. В результате морфо-физиологических исследований установлено, что изоляты бактерий представлены олиготрофными организмами с экономным метаболизмом и активным ферментативным аппаратом, выживающими в условиях высокой токсичности солей. Достоверно доминирующими в образцах анализируемых почв были изоляты бактерий родов Salinicola, Marinobacter, Microbacterium, Salinibacterium, Bacillus, Planomicrobium, Salegentibacter, Microbispora, что подтверждает их физиологическую устойчивость в аридных условиях. Установлено негативное влияние засоления почв на численность галофильных бактерий,

ХАЛИЛОВА, КОТЕНКО, ИСЛАММАГОМЕДОВА

каспийский Halostachys caspica L. (www.plantarium.ru).

Рис. 2.

Cоляноколосник

которое проявляется при концентрации солей больше <2% по сухому остатку. Показано, что в образцах почв и растения H. caspica в бактериях формируются признаки, позволяющие идентифицировать их в качестве штаммов вида Bacillus и Salimicrobium.

Salimicrobium halophilum - грамположительная, аэробная бактерия. На среде с 10% NaCl колонии неправильной формы, непрозрачные, сухие, морщинистые, желтые, выпуклые. Для роста бактерий S. halophilum оптимальная температура 37°С и рН 7.2. Бактерия может рассматриваться как умеренно галофильный микроорганизм, диагностирующий свойства луговых засоленных почв. Генетические особенности типичного галофильного штамма S. halophilum, идентичны микробам из засоленных почв района Юньчэн, Китай (Yoon, Kang, 2007) и могут быть использованы при оценке накопления солей в почвах.

Bacillus pumilus - грамположительный, факультативный анаэроб, выделен из луговых сильнозасоленных почв, распространенных в центральной части Терско-Кумской низменности. При росте на твердых питательных средах МПА на поверхности наблюдаются «восковидные», серо-белые распластанные колонии с неровными волнистыми краями, размером 5-10 мм. На селективной среде B. pumilus показал хороший рост, несмотря на присутствие в среде ингибирующего компонента NaCl. С увеличением степени засоления в среде культивирования обнаружены радикальные изменения в окраске и форме колоний. Основным признаком вида является способность разлагать ксилан, активно восстанавливать сульфат до каталазы и синтезировать ряд других биологически активных веществ (Holt et al., 1997), способствующих сохранению биохимического потенциала аридных экосистем.

Bacillus clausii - грамположительная, аэробная, факультативная, алкалофильная бактерия. Колонии клеток на МПА диаметром 23 мм формируются с небольшой выпуклостью, плотной консистенции, непрозрачные, светло-кремовые. Штаммы B. clausii часто обнаруживаются как составляющие микрофлоры почвы, а некоторые их свойства могут использоваться в производстве экзоферментов, щелочной протеазы и ксиланазы. Обладая антагонистическими свойствами по отношению к другим видам бактерий, отдельные штаммы B. clausii, способны синтезировать антибиотики, необходимые для защиты растений от патогенных микроорганизмов и острозасушливых климатических условиях.

Bacillus licheniformis - изолирован с растения H. caspica; факультативный анаэроб, грамположительный; выявлен на пухлых солончаках. B. licheniformis принимает участие в структурообразовании, переводе питательных веществ в доступные для растений формы, являясь одним из факторов заселения луговых засоленных почв растительностью. Одновременно он выполняет функции компонента дезинфекции почвы, используется в составе сельскохозяйственных удобрений.

Галофильные бактерии могут играть важную роль в биорекультивации нарушенных засоленных почв, управлении биотическими и абиотическими стрессами, оптимизации пищевого режима и индикаторами при диагностике и реабилитации засоленных почв. Изучение разнообразия экстремофильных микробных сообществ и их функциональной роли раскрывает ресурсы, заложенные в разнообразии аридных экосистем и генетических свойств почв.

Заключение

Впервые исследована микробная флора засоленных почв и галофитов аридных регионов Прикаспийской низменности. Выявлено более 40 видов и форм бактерий. Обнаружено, что при большом разнообразии почвенных микроорганизмов, бактерии рода Bacillus и Salimicrobium являются основными компонентами галофильных микробных сообществ засоленных почв Терско-Кумской низменности, обеспечивающих стабильность и функционирование экосистемы. Определение функций экстремофильных микробных сообществ, как показателя биологического разнообразия, вносит определенный вклад в концепцию изучения разнообразия аридных почв на экосистемном уровне.

Выявление доминантов уникальных экстремофильных сообществ является одним из репрезентативных показателей таксономической структуры микробных комплексов, тесно связанным с типом экосистемы. Биологическая диагностика почв позволяет определить характер и степень антропогенного воздействия на почвенный покров, может быть использована в биомониторинге почв и окружающей среды. Всестороннее изучение аборигенных микроорганизмов засоленных почв представляет научный и практический интерес с точки зрения оценки их биоразнообразия и перспективного использования в биотехнологиях различного назначения. Обоснована целесообразность комплексного исследования свойств почв и молекулярно-генетической идентификации микробных изолятов, используя организмы с экономным метаболизмом, выживающих в острозасушливых условиях и высокой токсичности солей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Акаев Б.А., Казанбиев М.К. 1972. Геологическое строение и полезные ископаемые Низменного Дагестана //

Физическая география Низменного Дагестана. С. 42-63. Добровольская Т.Г., Лысак Л.В., Зенова Г.М., Звягинцев Д.Г. 2001. Бактериальное разнообразие почв: оценка

методов, возможностей, перспектив // Микробиология. Т. 70. № 2. С. 149-167. Добровольский Г.В., Чернов И.Ю. 2011. Роль почвы в формировании и сохранении биологического

биоразнообразия. М.: Товарищество научных изданий КМК. 273 с. Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю., Головченко А.В., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Манучарова Н.А., Марфенина О.Е., Полянская Л.М., Степанов А.Л., Умаров М.М. 2015. Роль микроорганизмов в экологических функциях почвы // Почвоведение. № 9. С. 1087-1096. Залибеков З.Г. 2000. Процессы опустынивания и их влияние на почвенный покров. М. 219 с. Залибеков З.Г. 2010. Почвы Дагестана. Махачкала: Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ

РАН, Дагестанский государственный университет. 244 с. Звягинцев Д.Г. 1992. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ. 304 с. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. 2005. Биология почв. М.: Изд-во МГУ. 445 с.

Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М., Колотилова Н.Н. 2005. Практикум по микробиологии: учебное

пособие для студентов высших учебных заведений. М.: Академия. 608 с. Arora S., Vanza M.J., MehtaR., Bhuva C., Patel P.N. 2014. Halophilic microbes for bio-remediation of salt affected

soils // African Journal of Microbiology Research. Vol. 8. № 33. P. 3070-3078. Bhatnagar A., Bhatnagar M. 2005. Microbial diversity in desert ecosystems // Current science. Vol. 89. № 1. Р. 91-100. Delgado-García M., De la Garza-Rodríguez I., Cruz Hernández M.A., Balagurusamy N., Aguilar C., Rodríguez-Herrera R. 2013.Characterization and selection of halophilic microorganisms isolated from Mexican soils // Journal of Agricultural and Biological Science. Vol. 8. №. 6. Р. 457-464. Holt J.G., Krig N.R., Peter H.A., Staley S.J., Williams S.T. 1997. Bergey's Manual of Determinantive. М.: Ми. T. 2. 368 р.

Yoon J.H., Kang S.J. 2007. Salimicrobium luteum sp. Nov // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. Vol. 57. P. 2406-2411.