Выживание почвенных микробных экосистем в условиях марсианского грунта: лабораторное моделированиеНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 25 апреля 2013 г.-31 декабря 2013 г. Этап 2013
Результаты этапа: Получены экспериментальные данные о сохранении высокой численности, биоразнообразия и возможности репродукции при благоприятных условиях микроорганизмов в естественных аналогах марсианского грунта: экстремальных земных экотопах – ксерофитных аридных почвах и мерзлых осадочных породах, - при облучении ионизирующей радиацией дозой до 100 kGy в условиях, приближенных к параметрам реголита Марса: вакуум 1 torr, температура - 50оС, присутствие перхлората. Показано, что дозы радиации 40 и 100 kGy при пониженных температурах практически не снижают бактериального разнообразия природных сообществ экстремофилов. Цитоморфологическое исследование (ТЭМ) бактерий, выделенных из облученных дозой 100 kGy образцов, свидетельствует об изменении структуры клеток с проявлением признаков подобных переходу в покоящееся состояние. Однако, в отличие от покоящихся форм, не наблюдалось утолщения клеточных стенок. Клетки с грамположительным типом клеточной стенки после облучения характеризовались снижением толщины клеточной стенки, разрыхлением материала поперечных перегородок, компактизацией нуклеоида и повышением электронной плотности цитоплазмы по сравнению с необлученными клетками. Присутствие перхлората в почве (породе) в концентрации 5%-10% проявляется как ингибирующий фактор, более значительный, чем воздействие дозой облучения до 100 kGyr. Тем не менее, и в присутствии перхлората в высоких концентрациях, микробные сообщества сохраняют высокую численность, разнообразие и репродуктивную способность. Получены экспериментальные доказательства возможности появления влажных слоев в реголите Марса вследствие сублимации льда при температурных флуктуациях и активизации метаболизма потенциальной биомассы в этих слоях. Из образцов почв и мерзлоты, подвергнутых воздействию высоких доз ионизирующего излучения, выделена коллекция бактериальных культур, насчитывающая 150 штаммов. Приведен список бактериальных штаммов идентифицированных к настоящему времени до вида или рода, таксономическое положение остальных культур уточняется. Опубликовано по теме: 2 ст., 4 тез.
2 16 марта 2014 г.-31 декабря 2014 г. Этап 2014
Результаты этапа: Экспериментальной задачей проекта послужило исследование жизнеспособности микробных сообществ почв и мерзлых осадочных пород и деградации биомаркеров в условиях, моделирующих марсианский грунт: 1. Низкое давление (1 торр) и температура (-50оС), 2. Высокие дозы гамма-радиации в градиенте 1-100 кГр, характеризующие воздействие на геологической шкале времени. Проведен анализ воздействия совокупности стрессовых факторов, имитирующих условия Марса на in situ структуру и функциональную активность микробных сообществ четырех образцов естественного грунта: двух ксерофитных аридных почв и двух древних мерзлых осадочных пород Арктики и Антарктиды. Исследование воздействия гамма-облучения дозой 100 кГр при температуре -50оС и давлении 1 торр на функциональную активность микробных сообществ in situ показало, что при сохранении показателей общей заселенности образцов микроорганизмами на исходном уровне, в трех из исследованных образцов на 36-46% снизились показатели благополучия состояния биосистемы (G). Дестабилизация биосистем в большинстве случаев проявилась в повышении коэффициентов рангового распределения спектров потребления субстратов (d). Отмечалось небольшое снижение разнообразия (индекс Шеннона, Н), сужение спектра утилизируемых субстратов. Однако увеличение показателей удельной метаболической работы сообществ (W) свидетельствовало. что в облученных дозой 100 кГр образцах идут внутриклеточные процессы, способствующие возрастанию потенциальной готовности микроорганизмов к репарации повреждений. Выявлено различие в воздействии дозы 100 кГр на функциональную активность микробных сообществ аридных почв и мерзлых осадочных пород. Если в аридных почвах снижалось потребление всех групп субстратов, то в мерзлоте отдельные группы органических субстратов после облучения (100 кГр) утилизировались микроорганизмами с повышенной активностью. При снижении доли утилизируемых пентоз и органических спиртов, в объеме фиксируемого спектра субстратов, облучение способствовало активизации потребления гексоз и/или олигосахаров, солей органичеких кислот, аминокислот, а также разложению полимеров . Статистическая обработка полученных данных (кластерный анализ) показала, что метаболический «образ» анализируемых сообществ практически не нарушался после облучения дозой 100 кГр. В образцах, подвергнутых облучению дозой 100 кГр (-50оС, 1 торр) многие таксоны бактерий в составе сообществ увеличили свою численность. Например, в сероземе наибольшая активизация отмечена для групп Hymenobacter/FRB, Deinococcus radiophilus/Methylococcus, Actinomyces sp., Desulfovibrio, Carboxydotermus, Pseudomonas freudenreichii, Bifidobacterium, Deinococcus maricopensis/Pseudonocardia, Micobacterium II. Некоторые группы микроорганизмов, такие как Aeromonas hydrophila, Propionibacterium, WolInella-Acholeplasma-Roseomonas-Burkholderia (WARB), напротив, снизили численность ниже предела обнаружения или погибли. Однако таких групп было немного, все они являлись минорными компонентами сообщества. Вследствие активизации компонентов сообществ, происходила перестройка их структуры. Реакция на множественное воздействие стрессовых факторов обусловлена не только особенностями организмов, но в значительной мере зависит от свойств среды и формирующихся внутри- и межпопуляционных взаимодействий в сообществах. В целом, результаты ГХ-МС исследования in situ воздействия дозы 100 кГр в условиях модели марсианского реголита на естественные микробные сообщества ксерофитных почв и мерзлых пород свидетельствуют о том, что эта доза, вызывающая гибель практически всех микроорганизмов в чистой культуре, не повлияла существенно на структуру микробных сообществ и их жизнеспособность. Анализ структуры бактериального сообщества образца арктической мерзлой осадочной породы (М-1/91) методом клонирования области v4-v8 гена 16S рРНК до и после воздействия гамма-излучения (100 кГр) при низком давлении (1 торр) и низкой температуре (-50 °С) показал возрастания количества доминантных таксонов при сохранении основной структуры доминантного блока сообщества. Стоит отметить различия в структуре доминантного блока по данным ГХ-МС и молекулярно-филогенетического анализов. Природный грунт представляет собой сложную гетерогенную среду, взаимодействующую как с клетками микроорганизмов, так и с продуктами их метаболизма. Разделение этих составляющих представляет собой сложнейшую, либо неразрешаемую, задачу. Методы извлечения метаболитов накладывают дополнительные ограничения. В данном исследовании не ставилась задача выявления истинной иерархии в структуре бактериальных сообществ. Задачей было выяснение принципиальной реакции сообществ на моделируемый стресс и оценка их жизнеспособности. В рамках выполнения проекта была изменена методика проведения экспериментов с использованием имеющейся в ФТИ им. А.Ф. Иоффе вакуумной климатической камеры авторской разработки, что позволило использовать ее для облучения биологических образцов в 10 раз большими дозами гамма-излучения по сравнению с предыдущими экспериментами. При этом условия облучения при низком давлении и температуре были сохранены. Проведенная модернизация дала возможность повысить интенсивность поглощаемой дозы до 1-2 Мрад/час при стабильно низкой температуре вблизи -50˚С, несмотря на подогрев образца за счет высокой интенсивности поглощаемого гамма-излучения. По теме опубликовано: 2 ст., 4. тез.
3 31 марта 2015 г.-31 декабря 2015 г. Этап 2015
Результаты этапа: Проведен подробный статистически корректный анализ воздействия совокупности стрессовых факторов, имитирующих условия Марса (гамма-излучение, давление 1 торр, температура -50оС) на in situ структуру и функциональную активность микробных сообществ образцов аридных почв и мерзлых осадочных пород в градиенте дозы гамма-облучения 1-1000 кГр. Установлено, что высокая устойчивость микробных сообществ к воздействию радиации в дозах до 1000 кГр и моделируемых параметрах марсианского реголита обусловлена не только эволюционной адаптацией микробных сообществ в среде обитания, но способностью многих популяций чрезвычайно быстро реагировать на воздействие, повышая метаболическую и репродуктивную активность. Расчет свидетельствует, что устойчивость микроорганизмов в естественной среде обитания обеспечивает возможность сохранения биоразнообразия микробных сообществ земного типа в условиях, приближенных к условиям реголита Марса, в течение не менее 13-20 миллионов лет после утраты Марсом атмосферы. Сохранение высокой численности микроорганизмов, достаточно высокого биоразнообразия, фиксируемого молекулярно-генетическими методами и методом анализа липидных марекров, при дозах до 1000 кГр, которое подтверждено на серии природных образцов, бесконечно расширяет ограниченный список устойчивых к радиации микроорганизмов-экстремофилов, демонстрируя новые природные механизмы функционирования биосферы. Полученные данные убеждают в высокой устойчивости организмов земного типа к воздействию инопланетных и космических факторов, что дает основания предполагать возможность существования жизни за пределами нашей планеты. Моделирование способно дать большой объем необходимой информации для выбора методов и приборов при осуществлении сложных экспериментов в автоматических космических миссиях. Важнейшая задача, на наш взгляд, исследовать интегральный отклик биосистем на совокупность космических или известных планетных параметров с целью наиболее достоверного прогноза возможной эволюции потенциальных биосфер, необходимого для отбора критериев астробиологического поиска (биомаркеров). Результаты исследования необходимо должны учитываться при коррекции протоколов планетарного карантина, а также, в более отдаленной перспективе, при разработке стратегий терраформирования планетных тел. Коллекция полученных резистентных штаммов микроорганизмов перспективна для биотехнологического использования. Сданы 2 публикации в ж-лы Web of Science (rev. 2015), по теме опубликовано 2 статьи, 2 тез. докладов на Международн. конференциях.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".