Доказательная агрономия

Метагеномика - от теории к практике В России метагеномные исследования почв проводятся уже несколько лет . Например, В Почвенном институте им В.В. Докучаева создана и постоянно пополняется коллекция почвенных образцов для анализа микробиома. Разработана собственная методика получения высокоочищенных ДНК из почвы, освоены методики конструирования праймеров, благодаря которым можно проводить анализ 20 почвенных образцов одновременно, с выходом 7 около 3-3,5 тыс н.п. на один образец, ПЦР-анализа почвенной микробиоты с детекцией в реальном времени и таксономическим анализом сложных сообществ микроорганизмов . Кроме Почвенного института им. В.В. Докучаева в исследованиях принимают участие ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, коллективы учёных из Агрофизического института А.Ф. Иоффе, НИИСХ Центрально-чернозёмной полосы им В.В. Докучаева, Белгородский НИИСХ, Курский НИИ АПП и лаборатория по оценке экономической деградации почв МГУ им. М.В. Ломоносова . Пример практического применения метагеномного анализа – изучение биоты солончаков и определение бактерий индикаторов процесса засолния.В модельном опыте по искусственному засолению наблюдалось значительное снижение уровня разнообразия микробиоты. В сообществе увеличилась доля бактерий из семейств Bacillaceae, Streptomycetaceae, Nocardioidaceae и Balneolaceae. Таким образом, предложены кандидаты на роль индикаторов процесса засоления – бактерии из семейств Bacillaceae и Balneolaceae. Проведено  сравнение таксономической структуры сообществ залежей и агрочернозёмов в НИИСХ Центрально-чернозёмной полосы им. В.В. Докучаева . По результатам исследования, было выделено 4 группы микроорганизмов-идентификаторов почв, процессов и условий. Первую группу составляли семейства, доля которых уменьшается в пахотных почвах по сравнению с залежью: Conexibacteraceae, Patulibacteracaea,Hyphomicrobiaceae, Syntrophobacteraceae.  Во вторую группу входили семейства, доля которых в залежных почвах меньше, чем в пахотных: Geodermatophilaceae, Micrococcaceae, Rhodospirillaceae, Sphingomonadaceae. В третью группу вошли семейства, доля которых снижается в почвах при внесении минеральных удобрений: Solirubrobacteraceae, Enterobaceraceae, Pseudomonadaceae, Gaiellaceae. Четвёртая группа состояла из семейств, доля которых увеличивается привнесении минеральных удобрений -  Chitinophagaceae,Bacillaceae, археи филума Crenarchaeota, семейства Nitrososphaeraceae. Приведу и зарубежный пример. Во Франции произведена попытка картографирования пространственного распределения почвенных микробных сообществ. Для этого были отобраны и проанализированы 2173 образцов почв . В результате были построены карты видового богатства, микробного разнообразия и распространения отдельных таксонов. Благодаря таким картам авторам удалось показать роль разных почвенно-экологических факторов в формировании структуры почвенных микробиомов, среди которых наиболее значимыми оказались pH, тип землепользования и гранулометрический состав.

Метагеномика - как инструмент оценки почв для принятия агрономических решений Биота почвы является неотъемлемой частью экосистемы почвы. Оценка статуса в моменте или мониторинг  - важнейшая часть системы  управления здоровьем почв. Методы изучения микробиты почвы – от питательных сред к метагеномке Долгое время изучение микробиоты почв ограничивалось методом культивирования на  питательных средах – этот метод и сейчас является не только широко распространенным, но и постоянно развивающимся – побираются новые методы выделения и культивирования, совершенствуются системы интерпретации результатов анализа. Однако, еще в середине 1980-х годов стало понятно, что те микробные колонии, которые культивируются на чашках Петри, составляют лишь незначительную долю (0.1–5%) от общего разнообразия микроорганизмов в почве и начался поиск других более информативных методов. Одним из них стал -метагеномный анализ. Впервые термин “метагеномика” был предложен в 1998 г.с целью обозначить исследования, в которых проводится анализ коллективных геномов, полученных из образцов окружающей среды. Метагеномика - анализ совокупных геномов сообщества организмов. Метагеномный подход стал возможен благодаря развитию высокопроизводительного секвенирования – современных технологий «прочитывания» нуклеотидной последовательности ДНК, позволяющих анализировать крупные объемы генетической информации. Наиболее популярен в метагеномных исследованиях анализ гена 16S рРНК, на строении которого основана современная филогенетическая классификация прокариотических организмов. С помощью метагеномного анализ определяется статус микробиоты в медицине/ветеринарии. Выделение из почвы требует учет дополнительных нюансов : 1) неоднородность почвенного покрова, неравномерное размещение микроорганизмов в почвенных агрегатах и возникающая в связи с этим проблема репрезентативности почвенных образцов; 2) адсорбция клеток на почвенных частицах, ингибирование амплификации присутствующими в почве гуминовыми веществами и проблема экстракции и очистки ДНК; 3) высокое разнообразие сообществ, их разный физиологический статус и наличие внеклеточной ДНК. Еще одной особенностью почв является неоднородность условий внутри почвенных агрегатов. Твердые частицы и агрегаты делят почву на многочисленные частично или полностью изолированные микрозоны, в которых могут создаваться контрастные условия. В пределах агрегатов могут параллельно сосуществовать сотни и тысячи таких микрозон . Микроорганизмы заселяют эти ниши в соответствии со своими потребностями в питании и выживании, что приводит к неравномерному распределению микробиома внутри почвенных агрегатов . Дизайн методики должен учитывать неоднородность почвенного покрова и неоднородное распределение микроорганизмов на поверхности/внутри почвенных агрегатов, чтобы установить количество повторности, достаточное для получения корректных результатов. Метагеномика – часть структурно-функциональный ряда Для получения объективной информации предлагается использовать комплексный подход: – Метагеномный подход потенциально определяет всю генетическую информацию микробиома, в том числе о покоящихся формах и отмерших микроорганизмах. – Анализ биомаркеров позволяет оценивать и сравнивать состав микробиома, функционирующий на данный момент. – Анализ ферментативной активности дает информацию об актуальной функциональности почв, но не позволяет определять таксономический состав микробиома.

Антибиотики в навозе Сегодня мне бы хотелось поговорить с вами о риске негативного влияния антибиотиков, используемых в ветеринарии,  на здоровье почвы при использовании навоза и других отходов животноводства . В Российской Федерации во всех категориях хозяйств насчитывается около 20 млн голов крупного рогатого скота, свиней – более 17 млн, овец –21 млн, птицы – около 450 млн. Объем отходов животноводческих предприятий и птицефабрик в виде жидкого навоза, помета и сточных вод составляет около 700 млн кубических метров в год. В большинстве случаев применяются так называемые лагуны – котлованы, куда сбрасывается сырье. После заполнения лагуны ее содержимое выносится на поля без какой-либо переработки. В Европе уже около 10 лет действует закон, запрещающий выбрасывать на поля не переработанные органические отходы. Не переработанные отходы ( навоз) являются источников антибиотиков – и наибольший риск представляют антибиотики тетрациклиновго ряда. Сегодня во всем мире тетрациклины относятся к числу наиболее производимым и широко потребляемым антибиотикам из-за низкой стоимости и широкого спектра действия. Помимо использования у людей, тетрациклины используют- ся в терапии животных для лечения инфекций и стимулирования роста. Например, окси- тетрациклин и хлортетрациклин разрешены к использованию в США в качестве стимуляторов роста крупного рога. Фармакокинетика большинства тетрациклинов обычно пероральная или парентеральная: они всасываются в желудке и верхних отделах тонкой кишки. Тетрациклины обладают низкой скоростью метаболизма, менее 20% введен- ной дозы, т.е. более 80% выводятся в основном в неизмененном виде через кишечник. Важно отметить, что наибольшее потребление антибиотиков в  свиноводстве. В среднем на выращивание 1 свиньи используется 193 мг/шт. Крупный рогатый скот потребляет 42 мг/шт, а куры – 68 мг/шт противомикробных препаратов. В целом, загрязнение антибиотиками  в окружающей среде происходит по замкнутому циклу, который включает маршруты пищевой цепи, биоаккумуляцию и биомагнификацию за счет орошения сельскохозяйственных культур сточными водами очистных сооружений или загрязненной почвой, трофическими уровнями и средой обитания аквакультуры (рыба и крабы). Источником антибиотиков в первую очередь является экскреция человека и (или) животных. . Загрязнение антимикробными препаратами распространяется через очистные сооружения, стоки с сельскохозяйственных полей, антропогенные сточные воды, животноводческие помещения, бойни. Вот лишь некоторые результаты анализа почв на содержание антибиотиков: - хлортетрациклин – 4,6-7,3 мкг/ кг ( Северная Германия), 41,8 мкг/кг ( Соединенной Королевство); - окситетрациклин – 8,6 мкг/кг ( Соединенное Королевство), 27 мкг/ кг ( Северная Германия). В некоторых странах делаются попытки нормировать внесение органических удобрений. Например,  в Дании объемы внесения органических удобрений регулируются так называемыми животными единицами (DE), где 1 DE, например, отвечает годовому количеству навоза от 1 коровы большой расы, или 3 свиноматок с поросятами до 25 кг или 30 мясных свиней. По закону от 18 декабря 1998 года разрешено внесение по коровам – от 2,3 DE на гектар, по свиньям - от 1,7 DE на гектар, по другим животным - от 2 DE. Объем навоза 1DE равен 15- 18 т навоза свиней, или 20–22 т навоза КРС. В случае высокой влажности навоза разрешено внесение 30 т навоза свиней, 48 т навоза КРС на 1 га. Если молочная ферма имеет более 2,3 DE или свиноферма более 1,7 DE на гектар, излишки органических удобрений передаются другим хозяйствам. Для органического земледелия нормы внесения удобрений не должны превышать 1,4 DE на 1 га. Влияние антибиотиков попадающих в окружающую среду с навозом  многообразно, я бы хотела остановиться лишь на двух:  антибиотики попадают через субстрат в растения и антибиотики оказывают антибиотическое действие на биологическую активность  микрофлоры почвы. Риск загрязнения сельскохозяйственной продукции -   проникновения антибиотиков через почву в растения Установлено, что  кукуруза, картофель, салат и некоторые другие овощи погл