Уран-загрязнённый участок раскрывает богатство информации о подземном микробном сообществе

Учёные из Калифорнийского университета в Беркли секвенировали почти все гены подземного сообщества микробов на загрязнённом ураном участке в Рифле, Колорадо. Эта информация может помочь лучше управлять микробами для очистки от тяжёлых металлов или для поглощения и хранения углерода из атмосферы.

Каждый из 150 000 генов из образца был отнесён к одному из 80 различных микроорганизмов в почве. Это беспрецедентное вычислительное достижение стало возможным благодаря новым геномным инструментам, разработанным в UC Berkeley.

Результаты могут помочь улучшить очистку на сотнях участков в США, где микробы используются для преобразования токсичных металлов (включая мышьяк и ртуть) в химические формы, которые не будут просачиваться в водоносные горизонты и реки. Например, возможно добавление питательных веществ для создания идеального микробного микса, иммобилизующего металлы.

"Чтобы сделать эту цель реальностью, критически важно не просто обнаружить соответствующие гены у подземных микроорганизмов, но и достаточно знать об образе жизни организмов с интересующими генами, чтобы манипуляции с системой обогащали именно этот организм", — заявила руководитель исследования Джилл Бэнфилд.

Информация в геномах 80 микробов, обнаруженных на глубине 10 футов и более, также может привести к улучшению методов стимулирования поглощения углерода из атмосферы почвенными бактериями для снижения парниковых газов.

"Наше исследование перевернуло с ног на голову то, что, как мы думали, происходит на участке биоремедиации", — сказала ведущий автор Келли С. Райтон. "Эти геномы позволили нам заглянуть под капот этих организмов, о которых мы раньше ничего не знали, кроме того, что видели их в определённых типах сред".

Райтон, Бэнфилд и их коллеги сообщают о своём метагеномном анализе в выпуске журнала Science от 28 сентября.

"Тёмная материя" биологии

Микробы были получены из образцов грунтовых вод на участке, ранее использовавшемся для переработки ванадия и урана. Некоторые микробы "дышат" металлами, как мы дышим кислородом, химически изменяя их так, что они становятся нерастворимыми и остаются в осадке.

Бэнфилд называет такие микробные сообщества "тёмной материей" биологии. Бактериальное древо жизни можно разделить примерно на 60 ветвей уровня филума, но практически ничего не известно примерно о половине из них.

"Это новое исследование даёт новые знания об экологии, а также об эволюции значительной части того, что можно считать тёмной материей микробного мира", — сказала она.

Новое исследование включало геномы в 10 раз большего количества организмов. Все они анаэробные, и большинство, хотя и не новые для науки, совершенно не изучены, потому что их нельзя культивировать в лаборатории. Многие имеют размер всего в несколько сотен нанометров.

Учёные на участке в Рифле вносили ацетат в подповерхностный слой, чтобы питать бактерии, преобразующие растворимые металлы в нерастворимые. Они предполагали, что культивируют колонию, состоящую в основном из Geobacter bemidjiensis.

Вместо этого анализ трёх образцов, полученных в течение 10 дней после внесения ацетата, показал здоровую популяцию Geobacter, но также и множество других бактерий, предположительно питающихся мёртвыми Geobacter и другим углеродом в почве. Эти организмы используют или сбраживают сложный углерод, производя водород, небольшие органические соединения углерода и диоксид углерода.

"Ферментирующие организмы, производящие водород после многократного внесения ацетата, могут быть более важны для основного микробного сообщества, чем мы думали", — сказал Филип Э. Лонг.

"Мы обнаружили нечто вроде микробного зоопарка", — сказала Райтон. "Мы думали, что дышащие металлами организмы были нашей рабочей силой, но мы обнаружили, что ферментирующие организмы, вероятно, лежат в основе их метаболизма. Эти организмы производят в качестве побочного продукта ацетат, лактат и этанол, а также водород, и всё это компоненты, которые могут использовать дышащие организмы".

Исследователи продолжают метагеномный анализ образцов с участка в Рифле, включая образцы, полученные до внесения питательных веществ, чтобы определить естественную популяцию. Это даст комплексное представление о метаболическом потенциале подповерхностного слоя, который в конечном итоге можно использовать для биоремедиации.

"Наше исследование приподняло завесу над большой частью бактериальной жизни и позволило нам с большой глубиной и детализацией исследовать эти неизвестные и некультивируемые бактерии", — сказала Райтон. "Теперь у нас есть информация, закодированная в их геномной ДНК, касающаяся их внешнего вида, того, как они выживают в окружающей среде, и их взаимодействия с другими организмами".