ИЭГМ / Научные подразделения / Лаборатория микробиологии техногенных экосистем / О лаборатории

5. Создание новых экобиотехнологий, направленных на мониторинг и восстановление почв, загрязненных токсичными органическими соединениями, очистку сточных вод и утилизацию отходов химической, нефтяной, горнодобывающей промышленности.

· Получены уникальные сведения о структурном и функциональном разнообразии микроорганизмов наземных и подземных биотопов района разработок Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВМКМС, Пермский край).

· Создана и постоянно пополняется лабораторная коллекция бактерий и архей, выделенных из подземных залежей солей, а также из почв, донных отложений, сточных вод, отходов и шламов, расположенных на территории разработок ВМКМС, в том числе обладающих способностью разлагать различные токсичные органические соединения. В коллекции представлены бактерии филумов Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и др. В коллекции собрано более 1000 штаммов галофильных/галотолерантных бактерий и архей.

· Среди выделенных галофильных и галотолерантных бактерий обнаружен ряд новых таксонов; отдельные представители описаны в качестве нового рода семейства Halomonodaceae – род Salinicola (новый вид Salinicolasocius, Ананьина и др., 2007), нового рода семейства Micrococcaceae – род «Crystallibacter» (новые виды «Crystallibacterpermensis» и «Crystallibacter degradans», Plotnikova et al., 2025), новых видов: Brevibacterium permense (семейство Brevibacteriaceae, Гавриш и др., 2004); «Thalassospira permensis» (семейство Rhodospirilaceae, Plotnikova et al., 2011). Штаммы бактерий новых таксонов депонированы во Всероссийской Коллекции Микроорганизмов (ВКМ) и международных коллекциях микроорганизмов. Полные геномы и гены 16S рРНК исследованных бактерий депонированы в базе данных GenBank.

· Показано повсеместное распространение на территории промышленных солеразработок ВМКМС галофильных бактерий семейства Halomonadaceae (класс Gammaproteobacteria). Представители рода Chromohalobacter (сем. Halomonadaceae) доминировали в образцах руд (сильвинит, каменная соль) и в наземных высокоминерализованных образцах (галитовые отходы, донные отложения рассолосборников). Проведено полногеномное секвенирование и аннатация геномов ряда бактерий сем. Halomonodaceae.

· С использованием метода высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК проанализирован таксономический состав бактериальных сообществ почвы (Technosol и Haplic Albeluvisol) вблизи солеотвала калийного предприятия (Пермский край). Во всех почвенных образцах (почва без растений, ризосфера растений) преобладали бактерии филумов Pseudomonadota, Bacteroidota, Actinomycetota, Acidobacteriota, Verrucomicrobiota, Gemmatimonadota. Наибольшее влияние на таксономический состав бактериальных сообществ галитовые отходы оказывали на почвы участков в зоне засоления, расположенных в непосредственной близости от солеотвала.

· Доминирующими группами культивируемых бактерий ризосферы растений, произрастающих в районе складирования отходов калийных предприятий, являются умеренные галофилы семейства Halomonadaceae (родов Halomonas, Kushneria, Salinicola) и галотолерантные бактерии класса Actinobacteria (родов Brevibacterium, Isoptericola, Kocuria, Zhihengliuella, Microbacterium, Streptomyces, Nesterenkonia, Micrococcus, Arthrobacter, Salinibacterium, Janibacter) и класса Bacilli (родов Bacillus, Planomicrobium, Halobacillus, Virgibacillus, Oceanobacillus).

· В отходах (шламах, техногенно-минеральных образованиях) соледобывающих предприятий преобладают галотолерантные бактерии родов Arthrobacter и Rhodococcus (класс Actinobacteria), являющиеся деструкторами моно(поли)ароматических углеводородов (нафталина, бифенила, бензола, толуола, фенола, бензойной, орто-фталевой кислот, эфиров фталевой кислоты).

· Выделены и изучены на молекулярном и клеточном уровнях галотолерантные бактерии-деструкторы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) родов Rhodococcus, Arthrobacter, Glutamicibacter, Bacillus, Paenibacillus и Pseudomonas. Показано, что большинство исследуемых бактерий родов Pseudomonas и Arthrobacter содержат D-плазмиды, контролирующие начальные этапы разложения ПАУ. Исследованы галотолерантные бактерии, активные деструкторы фталевой кислоты и эфиров фталевых кислот (ЭФК) - стойких загрязнители окружающей среды, родов Rhodococcus, Arthrobacter, Glutamicibacter, Dietzia, Bacillus, Halomonas, Pseudomonas, Idiomarina, Stappia, Martelella, Erythrobacter, Alcanivorax, Marinobacter, Oceanisphaera, Nitratireductor, Breoghania. Штаммы эффективно утилизировали дибутилфталат, диэтилфтолат в высоких концентрациях (до 5 г/л ЭФК как без соли в среде культивирования, так и в присутствии 50 г/л NaCl). Проведено полногеномное секвенирование и аннатация геномов ряда бактерий-деструкторов ПАУ и ЭФК. Охарактеризованные бактерии-деструкторы являются перспективными для разработки новых методов биоремедиации техногеннозагрязненных, засоленных почв.

· Изучены консорциумы бактерий, выделенные из почв/грунтов района солеразработок, способные к росту на нафталине в аэробных условиях при повышенной солености среды (до 8 - 9% NaCl). В состав консорциумов входят галотолерантные бактерии-деструкторы ПАУ порядка Actinomycetales, а также галотолерантные и умеренно галофильные актинобактерии и протеобактерии, не способные к росту на нафталине в чистой культуре, но синтезирующие осмопртекторные соединения. Полученные данные свидетельствуют о протокооперативных взаимоотношениях членов нафталинметаболизирующих консорциумов.

· Показана способность галофильных и галотолерантных бактерий синтезировать биотехнологически значимый осмопротектор – эктоин. С помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) установлено, что наиболее высокое внутриклеточное количество эктоина, в сравнении с галотолерантными штаммами рода Rhodococcus, накапливали умеренно галофильные бактерии. В клетках умеренно галофильных бактерий родов Halomonas и Chromohalobacter биосинтез эктоина коррелировал с соленостью среды культивирования. На примере умеренно галофильного психротрофного штамма Chromohalobacter sp. N1 продемонстрирована роль эктоина в адаптации к холоду.

· В ризосфере растений, произрастающих вблизи солеотвалов, были обнаружены уникальные сообщества галофильных и галотолерантных бактерий. Данные бактерии могут быть использованы для создания биопрепаратов, улучшающих рост растений в стрессовых условиях (засоление, засуха, низкие температуры). Полученные данные указывают на наличие не изученного ранее механизма положительного влияния ризосферной микрофлоры на растения в условиях засоления за счет продукции бактериями осмопротекторного соединения – эктоина.

· Разработаны методы и подходы для выделения и изучения активных штаммов-деструкторов стойких органических загрязнителей (полихлорированных бифенилов (ПХБ) и их модифицированных производных; хлорорганических пестицидов.

В микробных сообществах техногеннозагрязненных почв, грунтов, донных отложений и сточных вод, отобранных с территорий ряда географически удаленных регионов Российской Федерации (Чукотский автономный округ, Пермский край, Самарская область, республика Крым), выявлены гены (bphA1), детерминирующие разложение токсичных (хлор)ароматических соединений – бифенила, полихлорированных бифенилов. С использованием молекулярно-генетических методов показано, что в исследуемых микробных сообществах доминирующей группой являются некультивируемые бактерии-деструкторы.

Из загрязненных почв различных регионов РФ выделено более 300 бактериальных штаммов-деструкторов бифенила, хлорбифенилов и хлорбензойных кислот (ХБК) разных таксономических групп, которые помещены на хранение в лабораторную коллекцию микроорганизмов. Полные геномы, гены 16S рРНК и функциональные гены бактерий-деструкторов депонированы в базе данных GenBank.

Выявлены активные бактерии-деструкторы Rhodococcus ruber P25, Microbacterium sp. В51, R. wratislaviensis КТ112-7, R. wratislaviensis СН628, демонстрирующие уникальные пути разложения поли(моно)хлорбифенилов до соединений основного обмена клетки. Штаммы подробно изучены на молекулярном и клеточном уровных; проведено полногеномное секвенирование и аннатация геномов штаммов-деструкторов. На основании выявленных метаболитов деструкции таргетных соединений и биоинформатического анализа геномов определены пути метаболизма различных ПХБ, их гидроксипроизводных и хлор(гидрокси)бензойных кислот у исследуемых штаммов.

Экспериментально доказано, что выделенные активные штаммы-деструкторы ПХБ могут быть использованы в качестве биологических агентов при создании биопрепаратов для восстанвления загрязненных почв и водных объектов. Эффективность деструкции ПХБ штаммами в условиях модельной почвенной системы составила 72–100% (при исходном уровне загрязнения ПХБ от 14 до 16667 ПДК) за 14–90 суток.

· Выявлено влияние массы корней растений на численность бактерий-деструкторов, состав бактериальных сообществ деструкторов и деструкцию углеводородов в почве, установлено различия в действии микробно-растительных ассоциации на деструкцию ПАУ (октадекана и фенантрена).

· Предложен механизм фиторемедиации почв, загрязненных углеводородами, согласно которому происходит совместное разрушение углеводородов микроорганизмами и растениями, образующих микробно-растительную ассоциацию. В данной ассоциации ризосферные микроорганизмы являются основными деструкторами углеводородов в почве и разлагают их до соединений способных усваиваться корнями растений и разрушаться внутри растительных клеток. Растения поглощают данные микробные метаболиты, тем самым ускоряя окисление углеводородов почвенными микроорганизмами. С другой стороны данные метаболиты, образующиеся при разложении углеводородов микроорганизмами, поступая в растения, оказывают на них токсическое действие. Получены экспериментальные данные, подтверждающие предлагаемую гипотезу о совместном разрушении углеводородов микроорганизмами и растениями (Назаров и др., 2017).

· Оценено действие нефтяного загрязнения почвы на высшие растения. Обнаружено, что фитотоксичность – наиболее чувствительный критерий негативного воздействия нефти на организмы при загрязнении почвы. Предложены нормативы допустимого содержания нефти и нефтепродуктов в 7 типов почв Пермского края.

· Получены данные о совместном разрушении углеводородов и хлорорганических соединений микроорганизмами и растениями. Создана микробно-растительная ассоциация на основе селектированного сообщества аэробных бактерий и клевера ползучего, осуществляющая ремедиацию почвы, загрязненную ДДТ и линданом.

Работы выполнялись в рамках различных международных программ, грантов РФФИ, РНФ, ФЦП, программы Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», государственных заданий Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Сотрудники лаборатории участвуют в преподавательской деятельности: разрабатывают и читают курсы лекций на биологическом и географическом факультететах Пермского государственного национального исследовательского университета; являются руководителями бакалаврсих, магистерских и аспирантских работ.

3. Качественный и количественный анализ органических соединений (в том числе, хлорорганических пестицидов, фталатов, полициклических и ароматичеких углеводородов и др.) с использованием хроматографической системы: газовый хроматограф Agilent 7890B (Agilent, США) с трехквадрупольным масс-спектрометром Agilent 7010B (Agilent, США).

4. Качественный и количественный анализ металлов (Cu, Pb, Fe, Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Na, Mg, Ca, K) в природных образцах, образцах техногенного происхождения, образцах побочных продуктов животноводства и др., с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра AA_6300 (Shimadzu, Japan).