Можно ли назвать «мёртвой» почву, в которой содержание тяжёлых металлов превышает норму в тысячи раз? Исследование учёных Академии биологии и медицины им. Д. И. Ивановского ЮФУ показывает, что даже в таких условиях микроорганизмы способны оставаться активными.
Секрет выживания скрыт в генах и перестройке микробного сообщества: одни микроорганизмы умеют выводить токсичные металлы из клетки, а другие погибают и замещаются другими более устойчивыми. Объектом изучения стали хемоземы в районе бывшего озера Сорное в пойме реки Северский Донец в Каменск-Шахтинском районе Ростовской области. С 1950-х годов до середины 1990-х годов это место являлось шламонакопителем для сточных вод химического завода Каменскволокно, из-за чего содержание цинка в почве на этой территории оказалось в две тысячи раз выше нормы.
По словам младшего научного сотрудника фронтирной лаборатории «Биоинженерия ризосферы» Елизаветы Пуликовой:
«Экстремально загрязненные почвы представляют уникальную модель для изучения баланса азотного цикла, где нитрификация, как индикаторный процесс, должна полностью прекращаться из-за токсичности тяжелых металлов, однако активность сохраняется. Механизмы адаптации нитрификаторов к подобным экстремальным условиям остаются неизвестными».
Нитрификация — это процесс превращения азота в почве, который считается индикатором здоровья экосистемы. Экстремальное длительное загрязнение тяжелыми металлами должно было полностью остановить эти процессы, но жизнь в почве продолжилась.
Чтобы это понять, учёные применили комплекс методов: анализ химических и физических свойств почвы, исследование ферментативной активности микроорганизмов, выделение и секвенирование почвенной ДНК, а также биоинформатический анализ полученных данных. Это позволило детально изучить структуру микробного сообщества и механизмы его адаптации.
Выяснилось, что длительное загрязнение запустило естественный отбор.
«Загрязнение тяжелыми металлами снижает активность нитрификации, снижает численность чувствительных к загрязнению микроорганизмов, тем самым, изменяя структуру: заменяет слабых на сильных», — поясняет исследователь.
Например, по ее словам, в чистых почвах обычно доминируют археи, но они оказались слишком чувствительными к загрязнению. Исследование показало, что в загрязнённых почвах начинают доминировать – комаммокс-бактерии. Они уникальны тем, что способны выполнять полный цикл нитрификации внутри одной клетки, что делает их более эффективными и конкурентоспособными, так как обычно этот процесс разделен между несколькими клетками. Кроме того, их геномы содержат гены, отвечающие за выведение тяжёлых металлов из клетки, что обеспечивает устойчивость к токсичной среде.
«Комаммокс-бактерии, которые смогли выжить в почве, имеют 18-27 генов, ответственных за устойчивость к металлам, а археи, обилие которых снизилось — только два гена», — отмечает Елизавета Пуликова.
Параллельно с комаммокс-бактериями в почве повышается обилие и активность гетеротрофных нитрификаторов. В отличие от автотрофных нитрификаторов (это организмы, способные создавать органические вещества из углекислого газа атмосферы и получать энергию в процессе нитрификации), гетеротрофные нитрификаторы получают органический углерод из внешней среды и не извлекают энергию из процесса нитрификации. Их доминирование связано как с устойчивостью к металлам, так и со способностью детоксицировать токсичные продукты – последствия нарушенного цикла азота.
Работа ученых ЮФУ имеет большое значение для решения глобального загрязнения плодородных земель тяжелыми металлами. Такие загрязнения нарушают естественные процессы в почве, в том числе процессы цикла азота. Дисбаланс азота приводит к вымыванию нитрата из почвы в грунтовые воды и эмиссии закиси азота – парникового газа.
«Изучение механизма адаптации микроорганизмов к высоким концентрациям тяжелых металлов позволит создать консорциум микроорганизмов устойчивых к загрязнению с сохраняем экосистемных функций», — дополняет Елизавета Пуликова.
В перспективе такие микробные сообщества могут использоваться для восстановления нарушенного азотного цикла в загрязнённых почвах. Кроме того, ученые предполагают существование дополнительного механизма детоксикации токсичных соединений азота в загрязненной почве — превращения оксида азота в нитрат с участием ферментов нитритредуктазы и нитритоксидоредуктазы.