Микробиология, 2021, T. 90, № 4, стр. 430-442

Влияние минеральных соединений азота и метанола на состав метанотрофных накопительных культур из осадка метанового сипа озера Байкал

О. В. Шубенкова a*, А. С. Захаренко a, Ю. П. Галачьянц a, Г. В. Калмычков b, В. Г. Иванов a, А. В. Хабуев a, Т. В. Погодаева a, С. М. Черницына a, Т. И. Земская a

a Лимнологический институт СО РАН
664033 Иркутск, Россия

b Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН
650033 Иркутск, Россия

* E-mail: olya@lin.irk.ru

Поступила в редакцию 21.01.2021
После доработки 16.03.2021
Принята к публикации 17.03.2021

Аннотация

Методом высокопроизводительного секвенирования V2–V3 участка гена 16S рРНК исследовано разнообразие метано- и метилотрофных бактерий при культивировании окисленного слоя донных отложений при температуре 10°С на минеральных средах с соединениями азота (${\text{NO}}_{3}^{ - },$ ${\text{NH}}_{4}^{ + }$) и метанолом. В донном осадке метанотрофы представлены бактериями порядка Methylococcales, с доминированием рода Methylobacter: 6.4 и 4.6% от общего числа последовательностей соответственно. Метилотрофное сообщество состоит из представителей рода Methylotenera (сем. Methylophilaceae). Накопительные культуры, полученные на среде с аммонием и метаном, характеризовались самым высоким разнообразием метанотрофов и содержали 22 ОТЕ семейства Methylococcaceae, девять из которых не были обнаружены в других условиях культивирования. В целом, только 6 из 28 ОТЕ метанотрофных бактерий продемонстрировали сходство с культивируемыми Methylobacter, Metyloglobulus и Methylomicrobium, а остальные показали разную степень сходства (94–99%) с некультивирумыми представителями сем. Methylococcaceae. Присутствие в среде метанола в концентрации 0.01% привело к развитию, в основном, метилотрофных бактерий, а при концентрации метанола в среде 0.5% отмечено угнетение развития метанотрофных бактерий независимо от добавленного источника азота.

Ключевые слова: донные осадки, метан, метанотрофные бактерии, метилотрофные бактерии, озеро Байкал

DOI: 10.31857/S0026365621040157

Список литературы

  1. Большаков А.М., Егоров А.В. Об использовании методики фазоворавновесной дегазации при газометрических исследованиях в акваториях // Океанология. 1987. Т. 37. С. 861–862.

  2. Букин С.В., Павлова О.Н, Калмычков Г.В., Иванов В.Г., Погодаева Т.В., Галачьянц Ю.П., Букин Ю.С., Хабуев А.В., Земская Т.И. Субстратная специфичность метаногенных сообществ из донных отложений оз. Байкал, ассоциированных с разгрузками углеводородных газов // Микробиология. 2018. Т. 87. С. 409–420.

  3. Bukin S.V., Pavlova O.N., Kalmychkov G.V., Ivanov V.G., Pogodaeva T.V., Galachyants Yu.P., Bukin Yu.S., Khabuev A.V., Zemskaya T.I. Substrate specificity of methanogenic communities from Lake Baikal bottom sediments associated with hydrocarbon gas discharge // Microbiology (Moscow). 2018. V. 87. P. 549–558. https://doi.org/10.1134/S0026261718040045

  4. Воробьев А.В., Дедыш С.Н. Использование накопительных культур для оценки структуры сообществ метанотрофов в торфяной почве: проблема репрезентативности результатов // Микробиология. 2008. Т. 77. С. 566–569.

  5. Vorob’ev A.V., Dedysh S.N. Inadequacy of enrichment culture technique for assessing the structure of methanotrophic communities in peat soil // Microbiology (Moscow). 2008. V. 77. P. 504–507.

  6. Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. М.: ГЕОС, 2001. 500 с.

  7. Голубев В.А. Температурная структура и статистическая устойчивость придонных вод озера Байкал // Водные ресурсы. 1981. № 6. С. 75–89.

  8. Земская Т.И., Хлыстов О.М., Егоров А.В., Погодаева Т.В., Калмычков Г.В., Шубенкова О.В., Черницына С.М., Воробьева С.С., Грачев М.А. Комплексные исследования проявлений газовых гидратов в осадках грязевых вулканов озера Байкал. Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы. М.: ИФЗ РАН, 2008. 268 с.

  9. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 288 с.

  10. Намсараев Б.Б., Земская Т.И. Микробиологические процессы круговорота углерода в донных осадках озера Байкал. Новосибирск: Издательство СО РАН, филиал “ГЕО”, 2000. 160 с.

  11. Погодаева Т.В., Сыпачев Р.И., Ахманов Г.Г., Хлыстов О.М. Геохимия газонасыщенных флюидов грязевых вулканов и метановых сипов (озеро Байкал) // VIII Межд. научно-практ. конф. “Морские исследования и образование. Maresedu-2019”. Москва, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Тверь: Издание ООО “ПолиПРЕСС”, 2019. Т. 2. С. 71–73.

  12. Троценко Ю.А., Хмеленина В.Н. Экстремальные метанотрофы. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2008. 206 с.

  13. Шубенкова О.В., Земская Т.И., Черницын С.М., Хлыстов О.М., Трибой Т.И. Первые результаты исследования филогенетического разнообразия микроорганизмов осадков Южного Байкала в районе приповерхностного залегания гидратов метана // Микробиология. 2005. Т. 74. С. 370–377.

  14. Shubenkova O.V., Zemskaia T.I., Chernitsyna S.M., Khlystov O.M., Triboy T.I. The first results of an investigation into the phylogenetic diversity of microorganisms in Southern Baikal sediments in the region of subsurface discharge of methane hydrates // Microbiology (Moscow). 2005. V. 74. P. 370–377.

  15. Черницына С.М., Мамаева Е.В., Ломакина А.В., Погодаева Т.В., Галачьянц Ю.П., Букин С.В., Пименов Н.В., Хлыстов О.М., Земская Т.И. Филогенетическое разнообразие микробных сообществ в донных отложениях Посольской банки, оз. Байкал // Микробиология. 2016. Т. 85. С. 652–662.

  16. Chernitsyna S.M., Mamaeva E.V., Lomakina A.V., Pogodaeva T.V., Galach’yants Y.P., Bukin S.V., Khlystov O.M., Zemskaya T.I., Pimenov N.V. Phylogenetic diversity of microbial communities of the Posolsk bank bottom sediment, Lake Baikal // Microbiology (Moscow). 2016. V. 85. P. 672–680. https://doi.org/10.1134/S0026261716060060

  17. Beck D.A.C., Kalyuzhnaya M.G., Malfatti S., Tringe S.G., Glavina del Rio T., Ivanova N., Lidstrom M.E., Chistoserdova L. A metagenomic insight into freshwater methane-utilizing communities and evidence for cooperation between the Methylococcaceae and the Methylophilaceae // PeerJ. 2013. V. 1. e23–e23. https://doi.org/10.7717/peerj.23

  18. Bodelier P.L.E., Roslev P., Henckel T., Frenzel P. Stimulation by ammonium-based fertilizers of methane oxidation in soil around rice roots // Nature. 2000. V. 403. P. 421–424. https://doi.org/10.1038/35000193

  19. Cabello-Yeves P.J., Zemskaya T.I., Zakharenko A.S., Sakirko M.V., Ivanov V.G., Ghai R., Rodriguez-Valera F. Microbiome of the deep Lake Baikal, a unique oxic bathypelagic habitat // Limnol. Oceanogr. 2020. V. 65. P. 1471–1488. https://doi.org/10.1002/lno.11401

  20. Crevecoeur S., Vincent W.F, Comte J., Matveev A., Lovejoy C. Diversity and potential activity of methanotrophs in high methane-emitting permafrost thaw ponds // PLoS One. 2017. V. 12. P. 1–22. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188223

  21. Dam B., Dam S., Kim Y., Liesack W. Ammonium induces differential expression of methane and nitrogen metabolism-related genes in Methylocystis sp. strain SC2 // Environ. Microbiol. 2014. V. 16. P. 3115–3127. https://doi.org/10.1111/1462-2920.12367

  22. De Batist M., Klerkx J., Rensbergen V., Vanneste M., Poort J., Golmshtok A.Y., Kremlev A., Khlystov O.M., Krinitsky P. Active Hydrate Destabilisation in Lake Baikal, Siberia // Terra Nova. 2002. V. 14. P. 436–442. https://doi.org/10.1130/0091-7613(2002)030<0631:SMVAMS> 2.0.CO;2

  23. Deutzmann J.S., Hoppert M., Schink B. Characterization and phylogeny of a novel methanotroph, Methyloglobulus morosus gen. nov., spec. nov. // Syst. Appl. Microbiol. 2014. V. 37. P. 165–169. https://doi.org/10.1016/j.syapm.2014.02.001

  24. Dixon J.L., Sargeant S., Nightingale P.D., Murrell J.C. Gradients in microbial methanol uptake: productive coastal upwelling waters to oligotrophic gyres in the Atlantic Ocean // Int. Soc. Microb. Ecol. 2013. V. 7. P. 568–580. https://doi.org/10.1038/ismej.2012.130

  25. Fox B.G., Froland J.E., Dege J., Lipscomb J.D. Methane monooxygenase from Methylosimis trichosporiwn OB3b: Purification and properties of a three component system with high specific activity from a type II methanotroph // J. Biol. Chem. 1989. V. 264. P. 10023–10033.

  26. Hanson R., Hanson T. Methanotrophic Bacteria // Microbiol. Rev. 1996. V. 60. P. 439–471.

  27. He R., Wooller M., Pohlman J., Catranis C., Quensen J., Tiedje J., Leigh M. Identification of functionally active aerobic methanotrophs in sediments from an Arctic lake using stable isotope probing // Environ. Microbiol. 2012. V. 14. P. 1403–1419. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2012.02725.x

  28. Kadnikov V.V., Mardanov A.B., Beletsky A.V., Shubenkova O.V., Pogodaeva T.N., Zemskaya T.I., Ravin N.V., Skryabin K.G. Microbial community structure in methane hydrate-bearing sediments of freshwater Lake Baikal // FEMS Microbiol. Ecol. 2012. V. 79. P. 348–358. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2011.01221.x

  29. Kalyuzhnaya M.G., Lapidus A., Ivanova N., Copeland A.C., McHardy A.C., Szeto E., Salamov A., Grigoriev I.V., Suciu D., Levine S.R., Markowitz V.M., Rigoutsos I., Tringe S.G., Bruce D.C., Richardson P.M., Lidstrom M.E., Chistoserdova L. High-resolution metagenomics targets specific functional types in complex microbial communities // Nature Biotechnol. 2008. V. 26. P. 1029–1034.

  30. Kalyuzhnaya M.G., Xing X.H. Methane Biocatalysis: Paving the Way to Sustainability. 2018. 312 p. https://doi.org/10.1038/nbt.1488

  31. Khlystov O., De Batist M., Shoji H., Hachikubo A., Nishio S., Naudts L., Poort J., Khabuev A., Belousov O., Manakov A., Kalmychkov G. Gas hydrate of Lake Baikal: Discovery and varieties // J. Asian Earth Sci. 2013. V. 62. P. 162–166. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2012.03.009

  32. Kozich J.J., Westcott S.L., Baxter N.T., Highlander S.K., Schloss P.D. Development of a dual-index sequencing strategy and curation pipeline for analyzing amplicon sequence data on the MiSeq Illumina sequencing platform // Appl. Environ. Microbiol. 2013. V. 79. P. 5112–5120. https://doi.org/10.1128/AEM.01043-13

  33. Liikanen A., Martikainen P.J. Effect of ammonium and oxygen on methane and nitrous oxide fluxes across sediment–water interface in a eutrophic lake // Chemosphere. 2003. V. 52. P. 1287–1293.

  34. Lomakina A., Mamaeva E., Pogodaeva T., Kalmychkov G., Khalzov I., Zemskaya T. Anaerobic methane oxidation in enrichment cultures from deep sediments of a mud volcano Peschanka (South Baikal) // Microbiology (Moscow). 2018. V.87. P. 317–325. https://doi.org/10.1134/S0026261718030049

  35. Martin P., Granina L.Z., Martens K., Goddeeris B. Oxygen concentration profiles in sediments of two ancient lakes: Lake Baikal (Siberia, Russia) and Lake Malawi (East Africa) // Hydrobiologia. 1998. V. 367. P. 163–174.

  36. Muller B., Maerki M., Schmid M., Vologina E.G., Wehrli B., Wuest A., Sturm M. Internal carbon and nutrient cycling in Lake Baikal: sedimentation, upwelling, and early diagenesis // Global Planet. Change. 2005. V. 46. P. 101–124.

  37. Murase J., Sugimoto A. Inhibitory effect of light on methane oxidation in the pelagic water column of a mesotrophic lake (Lake Biwa, Japan) // Limnol. Oceanogr. 2005. V. 50. P. 1339–1343.

  38. Nyerges G., Stein L.Y. Ammonia cometabolism and product inhibition vary considerably among species of methanotrophic bacteria // FEMS Microbiol. Lett. 2009. V. 297. P. 131–136. https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2009.01674.x

  39. Op den Camp H., Islam T., Stott M., Harhangi H., Hynes A., Schouten S., Jetten M., Birkeland N., Pol A., Dunfield P. Minireview: Environmental, genomic, and taxonomic perspectives on methanotrophic Verrucomicrobia // Environ. Microbiol. Rep. 2009. V. 1. P. 293–306.

  40. Pogodaeva T.V., Lopatina I.N., Khlystov O.M., Egorov A.V., Zemskaya T.I. Background composition of pore waters in Lake Baikal bottom sediments // J. Great Lakes Res. 2017. V. 43. P. 1030–1043. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2017.09.003

  41. Pogodaeva T.V., Zemskaya T.I., Khlystov O.M. Preliminary estimate of dissolved components flowing through water-bottom interfase at sites of oil and gas discharge in Lake Baikal // The 11th Conference of Gas in Marine Sediments. Nice, 2012. P. 74.

  42. Reeburgh W.S. Oceanic methane biogeochemistry // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 486–513.

  43. Schloss P.D., Westcott S.L., Ryabin T., Hall J.R., Hartmann M., Hollister E.B., Lesniewski R. A., Oakley B.B., Parks D.H., Robinson C.J., Sahl J.W., Stres B., Thallinger G.G., Van  orn D.J., Weber C.F. Introducing mothur: open-source, platform-independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities // Appl. Environ. Microbiol. 2009. V. 75. P. 7537–7541. https://doi.org/10.1128/AEM.01541-09

  44. Tays C., Guarnieri M.T., Sauvageau D., Stein L.Y. Combined effects of carbon and nitrogen source to optimize growth of proteobacterial methanotrophs // Front. Microbiol. 2018. V. 9. P. 1–14. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02239

  45. Whittenbury R., Philips K., Wilkinson J. Enrichment isolation and some properties of methaneutilizing bacteria // Ibid. 1970. V. 61. P. 205–218.

  46. Yang Y., Tong T., Chen J., Liu Y., Xie S. Ammonium impacts methane oxidation and methanotrophic community in freshwater sediment // Front. Bioeng. Biotechnol. 2020. V. 20. P. 1–11. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00250

  47. Zakharenko A.S., Galachyants Y.P., Morozov I.V., Shubenkova O.V., Morozov A.A., Ivanov V.G., Pimenov N.V., Krasnopeev A.Y., Zemskaya T.I. Bacterial communities in areas of oil and methane seeps in pelagic of Lake Baikal // Microb. Ecol. 2019. V. 78. P. 269–285. https://doi.org/10.1007/s00248-018-1299-5

  48. Zemskaya T.I., Lomakina A.V., Shubenkova O.V., Pogodaeva T.V., Morozov I.V., Chernitsina S.M., Sitnikova T.Ya., Khlystov O.M., Egorov A.V. Jelly-like microbial mats over subsurface fields of gas hydrates at the St. Petersburg methane seep (Central Baikal) // Geomicrobiol. J. 2015. V. 32. P. 89–100. https://doi.org/10.1080/01400451.2014.910572

  49. Zemskaya T.I., Pogodaeva T.V., Shubenkova O.V., Chernitsina S.M., Dagurova O.P., Buryukhaev S.P., Namsaraev B.B., Khlystov O.M., Egorov A.V., Krylov A.A., Kalmychkov G.V. Geochemical and microbiological characteristics of sediments near the Malenky mud volcano (Lake Baikal, Russia), with evidence of Archaea intermediate between the marine anaerobic methanotrophs ANME-2 and ANME-3 // Geo-Mar. Lett. 2010. V. 30. P. 411–425. https://doi.org/10.1007/s00367-010-0199-6

Дополнительные материалы отсутствуют.