ИСТИНА

На побережье Белого моря в результате постгляциального поднятия некоторые заливы отделяются от моря и превращаются в лагуны и прибрежные озера. Сток с водосбора и осадки постепенно опресняют поверхностный слой, тогда как в нижней части водоема сохраняется морская вода, что приводит к вертикальной стратификации, вплоть до меромиксии. Меромиктические водоемы представляют собой интересный феномен. В пределах одного водного объекта существует несколько экологических сообществ, расположенных одно под другим и связанных потоками вещества и энергии. В верхнем слое воды сообщество аналогично таковым в голомиктических водоемах соответствующего региона. Нижний слой, не охваченный вертикальной циркуляцией слой, в силу изоляции от атмосферы и накопления автохтонных и аллохтонных органических веществ, нередко лишен кислорода, там формируется сообщество анаэробных организмов с главенствующей ролью бактерий. Между ними располагается хемоклин, на который приходится максимум продуктивности за счет аноксигенных фототрофных бактерий. Созданную ими первичную продукцию потребляют гетеротрофные и миксотрофные протисты. В экосистеме таких водоемов определяющую роль играют микроорганизмы. Однако комплексное изучение структуры и функций микробиоценоза не является тривиальной задачей. Микроскопические водоросли определяют альгологи, бактерий изучают микробиологи с иным инструментарием и методами, исследования гетеротрофных протистов ограничены редкостью специалистов и их специализацией по отдельным группам (инфузории, амебы, жгутиконосцы). Применяемые разными специалистами методы имеют ограничения и не позволяют охарактеризовать сообщество в целом. Отчасти решить данную проблему позволяет ДНК метабаркодинг, основанный на высокопроизводительном секвенировании маркерного гена или его фрагмента с последующей идентификацией таксонов в сообществе вплоть до вида. Данная методика также имеет свои ограничения, связанные с многоэтапной и длительной процедурой, а также отсутствием в базе данных маркерных последовательностей ДНК многих таксонов, ранее описанных по морфологии. Компенсировать ограничения разных методов может комплексный подход, сочетающий традиционную идентификацию фототрофных и гетротрофных протистов методами световой и сканирующей микроскопии, оценку пигментов фототрофов спектрально-оптическими методами и ДНК метабаркодинг, позволяющий охарактеризовать состав сообщества по маркерным генам. Данный проект нацелен на характеристику таксономического состава разных компонентов микробиоты, включая фототрофных, гетеротрофных и миксотрофных протистов, а также прокариот стратифицированного водоема отделяющегося от Белого моря на основе комплексного подхода объединяющего методы микроскопии, спектроскопии и ДНК метабаркодинга. В России до настоящего времени методы ДНК метабаркодинга применялись в отношении единичных стратифицированных водоемов для оценки сообществ прокариот, и вовсе не использовались для характеристики сообществ протистов. В результате впервые стратифицированный водоем отделяющийся от Белого моря будет охарактеризован как единая система взаимодействующих микробных сообществ. Впервые будут получены взаимосвязанные данные о составе и метаболическом потенциале сообществ бактерий, а также таксономическом составе сообществ протистов в разных слоях, что позволит описать трофические взаимоотношения между разными компонентами экосистемы в целом. Дополнительно данные ДНК метабаркодинга можно использовать для предсказания функциональных генов и потенциальных метаболических путей в сообществе прокариот (точность 80-100% по сравнению с метагеномным анализом).

On the coast of the White Sea due to post-glacial uplift, some bays separate from the sea and turn into lagoons and coastal lakes. Watershed runoff and precipitation gradually desalinate the surface layer, while seawater remains in the lower part of the reservoir, which leads to vertical stratification, up to meromixis. Meromictic reservoirs are an interesting phenomenon. Within one water body, there are several ecological communities located one below the other and connected by flows of matter and energy. In the upper water layer, the community is similar to those in holomictic lakes of the corresponding region. The lower layer, which is not involved in vertical circulation is often deprived of oxygen due to isolation from the atmosphere and the accumulation of autochthonous and allochthonous organic substances; a community of anaerobic organisms with the leading role of bacteria is formed there. Between them there is a chemocline, which accounts for the maximum productivity due to anoxygenic phototrophic bacteria. Their primary production is consumed by heterotrophic and mixotrophic protists. Microorganisms play a decisive role in the ecosystem of such reservoirs. However, a comprehensive study of the structure and functions of microbiocenosis is not a trivial task. Microscopic algae are determined by algologists, bacteria are studied by microbiologists with another tools and methods, studies of heterotrophic protists are limited by the rarity of specialists and their specialization in certain groups (ciliates, amoeba, flagellates). The methods used by different specialists have limitations and do not allow one to characterize the community as a whole. This problem can be partly solved by DNA metabarcoding based on high-throughput sequencing of a marker gene or its fragment, followed by identification of taxa in the community up to the species level. This technique also has its limitations associated with a multistage and lengthy procedure, as well as the absence in the database of marker DNA sequences of many taxa previously described by morphology. The limitations of different methods can be compensated by an integrated approach that combines the traditional identification of phototrophic and heterotrophic protists by light and scanning microscopy, the assessment of phototrophic pigments by spectral optical methods, and DNA metabarcoding, which makes it possible to characterize the composition of the community by marker genes. This project is aimed at characterizing the taxonomic composition of various components of the microbiota, including phototrophic, heterotrophic and mixotrophic protists, as well as prokaryotes of a stratified reservoir separating from the White Sea based on an integrated approach that combines the methods of microscopy, spectroscopy and DNA metabarcoding. In Russia, up to now, DNA metabarcoding methods have been applied to single stratified water bodies to assess prokaryotic communities, and have not been used at all to characterize protist communities. As a result, for the first time, a stratified water body separating from the White Sea will be characterized as a single system of interacting microbial communities. For the first time, interconnected data will be obtained on the composition and metabolic potential of bacterial communities, as well as the taxonomic composition of protist communities in different layers, which will make it possible to describe the trophic relationships between different components of the ecosystem as a whole. Additionally, DNA metabarcoding data can be used to predict functional genes and potential metabolic pathways in the prokaryotic community (80-100% accuracy compared to metagenomic analysis).

Организована и проведена экспедиция на Беломорскую биостанцию МГУ в марте 2024 г. для проведения гидрологических измерений в пяти водоемах, отбора зимних проб фитопланктона, выполнения спектрально-оптических измерений. В отчете по проекту будут вертикальные профили всех измеренных параметров во всех водоемах, спектры поглощения света на разной глубине, вертикальное распределение бактериохлорофиллов. Организован и проведен семинар для участников проекта. Его планируется провести в апреле 2024 в г. Санкт-Петербург в рамках ежегодной конференции «Герценовские чтения» в РПГУ им. Герцена. Участники проекта сделают сообщения, что будет отражено в программе конференции и, по желанию докладчиков – опубликованы в сборнике материалов конференции. Экспедиционные работы для наблюдений за гидрологическими характеристиками, спектрально-оптическими параметрами воды и сезонной сукцессией фитопланктона в течение безлёдного периода в выбранном модельном водоеме. Гидрологические наблюдения - не реже, чем 1 раз в месяц. В отчет войдут профили всех измеренных параметров. Отбор проб фитопланктона - не реже 1 раза в месяц по 1 пробе из основных зон водоема (каждая съемка - не менее четырех проб). К концу года первые 1-2 съемки будут обработаны, данные войдут в годовой отчет и будут доложены на ежегодной осенней конференции “MARESEDU-2023” в Институте океанологии (Москва). Проведена комплексная экспедиция для совместного отбора проб фитопланктона, гетеротрофных простейших для микроскопирования и для метабаркодинга в модельном водоеме. Результат – пробы фитопланктона, зафиксированные формалином, доставленные в Москву на кафедру гидробиологии Биологического факультета МГУ для дальнейшей обработки. Пробы с простейшими и, фильтры с микроорганизмами, хранящиеся в жидком азоте, либо выделенная из них ДНК в консерваторе DNA-Shield доставлены в Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН (г. Оренбург) для дальнейшей обработки. Пробы ДНК просеквенированы, получены таблицы с последовательностями для дальнейшей биоинформатической обработки. На ежегодной конференции MARESEDU-2024 в Институте океанологии РАН – не менее 3 докладов. Не менее 1 статьи подготовлено и сдано в печать в издание, индексируемое в WoS или Scopus.

Исследования беломорских прибрежных стратифицированных водоемов на базе Беломорской биологической станции МГУ начались в 1990-х годах, с 2010 г. их организует руководитель данного проекта Е.Д. Краснова. В распоряжении коллектива база данных обо всех изученных за это время водоемах. В результате этих наблюдений определены особенности многолетней гидрологической динамики пяти водоемов в окрестностях Беломорской биостанции МГУ и одного водоема в губе Ковда. Выявлена типовая структура водоемов, отделяющихся от моря, закономерности изменений донной фауны. Результаты этих исследований описаны во множестве публикаций. В комплексных исследованиях беломорских меромиктических водоемов участвует научная группа с кафедры общей физики физического факультета МГУ, которая проводит спектрально-оптические измерения, нацеленные на идентификацию фотосинтезирующих микроорганизмов спектральными методами, с особым вниманием к мало изученным аноксигенным фототрофным бактериям. В данном проекте участвует аспирантка кафедры А.А. Жильцова, участница множества экспедиций, автор и соавтор большого количества совместных статей. Совместно с доцентом каф. гидробиологии Биологического факультета МГУ к.б.н. И.Г. Радченко, начаты исследования фитопланктона. Прослежена сезонная сукцессия фитопланктона в двух водоемах, выявлены общие закономерности изменений таксономического состава, биомассы, трофического статуса. Совместно с сотрудниками Центра коллективного пользования Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН (ИКВС УрО РАН, г. Оренбург) начато изучение протистов соленых озер, возглавленное руководителем Центра коллективного пользования «Персистенция микроорганизмов» ИКВС УрО РАН А.О. Плотникова. Получены представительные списки простейших из оз. Кисло-Сладкого, проанализировано биоразнообразие в разных слоях, сопоставлены результаты метагеномного анализа и прямого микроскопирования проб.