Впервые составлена карта микробиома целой страны

Международная исследовательская группа под руководством Ольборгского университета при участии Венского университета впервые систематически картировала микробиом целой страны. В исследовании "Microflora Danica", опубликованном в журнале Nature, было проанализировано более 10 000 образцов окружающей среды со всей Дании — в среднем с интервалом всего около 4 квадратных километров.

Результатом стал атлас датских экологических микробиомов с беспрецедентным пространственным разрешением и функциональной глубиной. Михаэль Вагнер, Дан Спес и Эндрю Гигер из Центра микробиологии и наук об окружающей среде Венского университета сыграли ключевую роль в оценке нитрификаторов — ключевой группы в глобальном цикле азота.

Фокус на нитрификаторах: основные игроки всё ещё не охарактеризованы

Нитрификаторы в почвенных микробиомах определяют, как долго реактивный азот из удобрений остаётся доступным растениям и когда он превращается в экологически вредные формы, попадающие в атмосферу или водоёмы.

Текущее исследование впервые показывает общенациональное распределение обилия этих организмов и выявляет нечто удивительное: две особенно широко распространённые линии — TA-21 среди аммоний-окисляющих архей (AOA) и comammox-Nitrospira Clade B — на сегодняшний день не имеют культивируемого представителя.

Следовательно, этих нитрификаторов ещё нельзя изучать напрямую в лаборатории, хотя они доминируют на больших площадях сельскохозяйственных и природных почв соответственно. Кроме того, исследователи обнаружили убедительные доказательства существования широко распространённых, ранее неизвестных и также ещё не культивируемых групп нитрит-окисляющих бактерий.

Почему это важно: удобрения, водоёмы и закись азота

Дания является сильно аграрной страной (около двух третей её земель используется для сельского хозяйства). Широкое использование азотных удобрений означает, что большое количество реактивного азота попадает в окружающую среду — с прямыми последствиями для грунтовых вод, прибрежных вод и климата. В сельскохозяйственных почвах нитрификаторы влияют на то, сколько азота из удобрений остаётся в системе — и сколько попадает в водоёмы в виде нитратов или уходит в атмосферу в виде закиси азота (N₂O).

Переудобрение водоёмов приводит к цветению водорослей и мёртвым зонам в океанах, а закись азота является мощным парниковым газом, который также способствует истощению озонового слоя. Разные нитрификаторы производят разное количество N₂O и по-разному реагируют на ингибиторы нитрификации, которые добавляют в удобрения во многих странах для ограничения потерь.

"Понимание того, какие нитрификаторы присутствуют и насколько они многочисленны, открывает большой будущий потенциал для того, чтобы сделать сельское хозяйство более точным, эффективным и устойчивым", — подчёркивают венские исследователи.

Антропогенное влияние обнаруживается в микробиоме

Исследование также документирует, что степень нарушения среды обитания — например, интенсивное земледелие — чётко отражается в микробных профилях. Нарушенные местообитания демонстрируют высокое локальное разнообразие, но более однородны в масштабах всей страны.

Природные же местообитания сохраняют больше общего разнообразия. Эти "микробные отпечатки пальцев" в будущем можно будет использовать для оценки успеха проектов по восстановлению природных систем с микробной точки зрения.

Актуальность для Австрии

"Наши результаты показывают, что микроорганизмы, являющиеся ключевыми движущими силами биогеохимических процессов, чувствительны к землепользованию и изменениям окружающей среды", — подчёркивает автор исследования Михаэль Вагнер из Венского университета, который также возглавляет кластер передового опыта FWF "Микробиомы движут здоровьем планеты".

"Если мы хотим сделать сельскохозяйственные системы более устойчивыми и серьёзно относиться к защите климата, мы должны систематически учитывать микробиом — как в исследованиях, так и на практике".

Австрия сталкивается с проблемами, аналогичными датским: в обеих странах сельское хозяйство, поступление питательных веществ и защита водных ресурсов формируют экологическую политику. Поэтому датские результаты являются модельным случаем для сопоставимых анализов в Австрии — от оптимизации использования удобрений до оценки выбросов парниковых газов из почв.

"Национальный атлас микробиома открывает новые пути для сочетания сельского хозяйства и охраны природы на основе данных", — говорит венский исследователь.