doi: 10.15389/agrobiology.2020.1.137rus
УДК 631.618:631.46:577.2
Работа подержана грантомРНФ № 17-16-01030.
МИКРОБИОМ ПОЧВ КИНГИСЕППСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
ФОСФОРИТОВ ПРИ РАЗНЫХ ТИПАХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ
И БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
А.К. КИМЕКЛИС1, 2, Я.А. ДМИТРАКОВА1, Е.А. ПЕРШИНА1, 2,
Е.А. ИВАНОВА1, 2, 3, А.О. ЗВЕРЕВ1, 2, Г.В. ГЛАДКОВ1, 2, А.А. КИЧКО2,
Е.Е. АНДРОНОВ1, 2, 4, Е.В. АБАКУМОВ1
Микробный состав нарушенных почвенных покровов после рекультивации может указывать на степень восстановления и характер протекающих в них процессов, а также на пригодность таких почв для дальнейшего использования в сельскохозяйственном обороте. Кингисеппский карьер по добыче фосфоритов разрабатывался в 1960-е годы, а в конце 1970-х была проведена его горнотехническая рекультивация. Уникальность этого объекта в том, что мониторинг почвенных показателей здесь ведется уже на протяжении 29 лет, а при рекультивации использовались три разные древесные породы — ель, лиственница и сосна, причем на участке с елью глыбистую массу разравнивали с внесением торфяно-минеральной смеси, тогда как при высаживании лиственницы и сосны использовали минеральный субстрат без торфа. Однако анализ микробного состава почвенного покрова на рекультивационных площадках до сих пор не проводился. В представленном исследовании мы показали, что структура изученного почвенного микробиома не зависела от физико-химических параметров почв, разнообразие почвенного микробиома не коррелировало с основными минеральными элементами питания, а доминирующая растительная порода существенно не повлияла на структуру микробиома. Целью работы было изучение почвенного микробиома на рекультивационных площадках Кингисеппского карьера с использованием методов высокопроизводительного секвенирования ампликонных библиотек гена 16S рРНК, а также поиск связи состава микробиома с типом рекультивации и физико-химическими параметрами почв. На трех участках провели описание растительного покрова и почвенных разрезов и отобрали пробы для определения физико-химических параметров почвы и выделения ДНК. Учитывали гранулометрический состав образцов, pH, величину субстрат-индуцированного и базального дыхания, содержание органического углерода, подвижных соединений фосфора и калия, обменного аммония и нитратов. Количественное содержание бактерий, архей и грибов определяли методом ПЦР в реальном времени (qPCR). При анализе микробных сообществ оценивали α- и β-разнообразие, таксономическую структуру, а также взаимосвязь этих показателей с биохимическими параметрами почвы и растительным покровом. По результатам проведенных исследований, почвенные параметры были схожи для всех участков, а показатели базального и субстрат-индуцированного дыхания оказались очень низкими — в пределах 0,02-0,05 мкг СО2/(г·ч). Участок под посадками ели показал более кислую реакцию почвенной вытяжки (pH 6,5), чем участки под лиственницей и сосной (соответственно pH 7,6 и 7,2). Тип растительности не оказался достаточно сильным экологическим фактором, и структура почвенных микробных сообществ на трех изученных участках мало различалась. Количественный состав микроорганизмов достоверно не различался между тремя опытными участками (за исключением более низкой численности архей в посадках ели). α-Разнообразие сообщества прокариот на всех трех участках было также сходно, но почва под елями характеризовалась более высоким разнообразием актинобактерий. Во всех образцах доминировали филы Proteobacteria, Actinobacteria и Acidobacteria. Самым многочисленным таксоном на всех участках был род Pseudomonas, на участке с елью преобладали ОТЕ (операционные таксономические единицы) из филы Actinobacteria, порядка N1423WL, семейств Rhizobiaceae, Kouleothrixaceae, Ellin6529, с сосной — семейства Sinobacteraceae и рода Rhodoplanes, с лиственницей — порядка IS-44. Участок с высаженной сосной также характеризовался пониженной относительно других представленностью ОТЕ из семейств Micrococcaceae и Ellin6075, а участок с елью — порядка RB41. В целом в изученных микробиомах выявлены бактерии, относящиеся как к медленнорастущим олиготрофным формам, характерным для стабилизированных почвенных сообществ с полным циклом углерода, так и к быстрорастущим копиотрофным, часто связанным с ризосферной нишей. Следовательно, на Кингисеппском месторождении фосфоритов текущую стадию зарастания рекультивированных почв можно отнести к предклимаксной.
Ключевые слова: месторождение фосфоритов, горнотехническая рекультивация, метагеном, микробиом почв, биологическая активность, высокопроизводительное секвенирование, 16S рРНК, QIIME, почвообразование.
ANALYSIS OF MICROBIOME OF RECULTIVATED SOILS
OF THE KINGISEPP AREA OF PHOSPHORITE MINING
A.K. Kimeklis1, 2, Ya.A. Dmitrakova1, E.A. Pershina1, 2, E.A. Ivanova1, 2, 3,
A.O. Zverev1, 2, G.V. Gladkov1, 2, A.A. Kichko2, E.E. Andronov1, 2, 4, E.V. Abakumov1
The microbial composition of reclaimed disturbed soil covers may indicate the degree of their recovery and the processes occurring in them, as well as their suitability for further use in agriculture. Kingisepp phosphorte quarry was developed in the 1960s, and at the end of the 1970s reclamation was performed. This object is unique because its soil physical parameters were monitored for 29 years and the reclamation was performed with the planting of three plant cultures — spruce, larch and pine. In the area with spruce it was leveled with an addition of peaty-mineral mixture, and in areas with larch and pine only mineral substrate without peat was added. However, the analysis of the microbiome composition of the soil cover at the reclamation sites has not yet been carried out. Our study showed that the structure of the studied soil microbiome did not depend on the physicochemical parameters of the soil, the diversity of the soil microbiome did not correlate with the main mineral nutrients, and the dominant plant species did not significantly affect the structure of the microbiome. The aim of the work was to study the microbiome of these sites using high-throughput sequencing of amplicon libraries of the 16S rRNA gene, as well as to search for the connection between the microbiome composition and the type of remediation and physical and chemical parameters of the soil. For three plots, descriptions of vegetation cover and soil cuts were made, and soil samples were taken to determine their physical and chemical parameters and DNA extraction. The granulometric composition of the samples, pH levels, substrate induced and basal respiration, as well as the content of organic carbon, mobile compounds of phosphorus and potassium, exchangeable ammonium and nitrates were measured. Quantity of bacteria, archaea and fungi was determined using real-time PCR. For the analysis of microbial communities, the level of their alpha and beta diversity was measured, their taxonomic structure was determined, as well as their relationship with the soil biochemical parameters and vegetation cover. According to the results of the studies, the soil parameters were similar for all plots, and the levels of basal and substrate-induced respiration were very low (around 0.02-0.05 µg CO2/g per hour). The plot under the spruce showed a more acidic soil extract reaction (pH 6.5) than the plots under larch and pine (pH 7.6 and 7.1, respectively). The type of vegetation was not a sufficiently strong ecological factor and microbial communities turned out to be close in structure. The quantitative composition of microorganisms did not differ significantly between the three experimental plots, except for the lower content of archaea in the plot with spruce. The level of alpha-diversity of the prokaryotic community in all three plots was also similar, but the area under the spruce differed from others by a higher diversity of actinobacteria. Proteobacteria, Actinobacteria and Acidobacteria phyla were dominant in all samples. The most numerous taxon in all plots was Pseudomonas, in the plot with spruce dominated Actinobacteria, Rhizobiaceae, Kouleothrixaceae, Ellin6529, N1423WL, with pine — Rhodoplanesand Sinobacteraceae, with larch — IS-44. Pine plot was also characterized by a relative low content of Micrococcaceae and Ellin6075, and spruce plot — of RB41. In general, in the studied microbiomes, bacteria are identified that belong to both oligotrophic slow-growing forms characteristic of stabilized soil communities with a full carbon cycle, and to fast-growing copyotrophic, often associated with a rhizosphere niche. In this regard, this stage of overgrowing of reclaimed soils of the Kingisepp phosphorite deposit can be attributed to pre-climax.
Keywords: reclamation, soil microbiome, alpha and beta diversity, high throughput sequencing, 16S rRNA.
1ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный |
Поступила в редакцию |
