Простая модель предсказывает сдвиги метаболизма почвенного микробиома при изменениях среды

Почвенные микробиомы, управляющие метаболизмом в этих экосистемах, чрезвычайно сложны. Новое исследование Чикагского университета показывает, что обманчиво простая математическая модель может описать, как почва реагирует на изменения окружающей среды.

Исследование, опубликованное в Nature, демонстрирует, что, используя всего две переменные, модель показывает, как изменения уровня pH последовательно приводят к трем различным метаболическим состояниям сообщества.

Масштабный эксперимент

В исследовании были проанализированы 20 природных почв с градиентом pH с фермы в Вашингтоне. В лаборатории pH каждой нативной почвы был изменен небольшими шагами, что привело к созданию 1500 микрокосм-экспериментов.

Ученые тестировали влияние изменения pH на анаэробное нитратное дыхание — ключевой метаболический процесс в сельском хозяйстве и здоровье почв, при котором анаэробные микробы используют нитрат для получения энергии.

Было проведено 15 000 измерений нитрата в каждом микрокосме вручную.

Обманчиво простая модель

Команда создала модель для описания динамики в каждом из 1500 образцов по мере метаболизма нитрата. Оказалось, что простая модель предсказывает активность всего с двумя параметрами: активностью аутохтонной биомассы и количеством доступного лимитирующего рост питательного вещества.

В зависимости от того, как изменялся pH, наблюдались три последовательных результата:

• Режим I, "режим кислотной гибели": Сильные сдвиги в сторону кислотности вызывали гибель функциональной биомассы.
• Режим II, "режим, лимитируемый питательным веществом": При умеренных изменениях, кислотных или щелочных, метаболизм нитрата ограничивался доступностью лимитирующего питательного вещества (углерода), что приводило к линейной динамике нитрата.
• Режим III, "режим возобновляемого роста": Сильные сдвиги в сторону щелочных условий вызывали снижение активности доминирующих групп микробов, в то время как редкие группы быстро росли и экспоненциально метаболизировали нитрат.

"Независимо от того, как вы изменяете pH, вся экосистема может проявлять только эти три динамических класса поведения. Похоже, что ничего другого не допускается", — сказал старший автор статьи, профессор экологии и эволюции Чикагского университета Сеппе Кюн.

Практическое применение

Понимание того, как почвенный микробиом реагирует на изменения, полезно для разработки мер вмешательства. Например, если сток азотных удобрений с ферм загрязняет близлежащие водоемы, можно принять меры по повышению pH для удаления избытка нитратов и предотвращения цветения водорослей.

Исследователи полагают, что тот же подход к моделированию может быть применен и к другим факторам окружающей среды, таким как температура, соленость и др.