Если у почвы растет кислотность, то состав ее микробиома будет меняться одинаково вне зависимости от типа почвы (по крайней мере в умеренных широтах): при pH менее четырех будет наблюдаться общее угнетение, от четырех до восьми — преобладание бактерий Pseudomonadota и Bacteroidota, а при pH выше восьми — взрывной рост численности Bacillota, которые благодаря щелочи получат доступ к изолированному углероду почвенных частиц. Эту закономерность удалось описать моделью, которая может предсказать отклик разных почв на изменение условий среды, особенно в сельском хозяйстве. Статья опубликована в журнале Nature.
Почвенные микробиомы не слишком хорошо получается изучать методами классической микробиологии. Важно не только понять, какие бактерии, грибы и археи обитают в почве (их можно выделить посевом или секвенированием), но и оценить их численное соотношение, потому что его малейший сдвиг может серьезно изменить протекающие в почве биохимические реакции. Кроме того, микроорганизмы находятся одновременно под влиянием множества факторов окружающей среды (температура, влажность, кислотность и свойства конкретного типа почвы), и чтобы продвинуться в понимании экологии почв, нужно уметь изолировать эти факторы во время исследования.
Отрицательный десятичный логарифм активности ионов водорода в почвенном растворе (pH) — удобный показатель, который можно легко измерить и узнать многое о почвенных свойствах. Он описывает не только кислотность почвы, но и доступность элементов питания для растений и микроорганизмов: например, фосфор в кислых условиях связан и недоступен, а железо и алюминий становятся более доступными и оттого потенциально токсичными. На pH почвы влияют не только климат и кислотные дожди, но и действия человека. Как правило, внесение азотных удобрений повышает кислотность, а внесение органических удобрений и известкование — снижают.
Ученые под руководством Кисеока Ли (Kiseok Lee) из Чикагского университета изучили, как изменения pH отражаются на почвенном микробиоме. Они отобрали образцы почвы с одного поля в 20 разных точках, чтобы исключить влияние разных типов почв, но учесть пространственную неоднородность свойств внутри одного типа. На их основе в лаборатории создали почвенные микрокосмы — установки, в которых авторы имитировали условия активной переработки нитратов микроорганизмами после дождя. За две недели до эксперимента они увлажнили почву, а позже внесли в нее нитрат и наблюдали за реакциями денитрификации (восстановления нитратов до газообразного азота) и аммонификации (восстановления нитратов до аммиака или аммония).
В образцы вносили разные количества соляной кислоты или гидроксида натрия, чтобы получить 13 градаций pH (от трех до девяти). Также в половину проб добавили хлорамфеникол — антибиотик, который останавливает размножение бактерий, но не убивает их. Это позволило отличить активность уже существующих бактерий от новых. С учетом всего разнообразия условий эксперимента и трехкратной повторности авторы создали более 1500 почвенных микрокосмов, в которых отследили, как менялся состав микробного сообщества.
Оказалось, что отклик почвенного микробиома на изменение кислотности среды всегда протекает по одному механизму. При pH меньше четырех происходит массовая гибель микроорганизмов и денитрификация практически останавливается. При pH от четырех до восьми наступает период ограничений по питанию: микроорганизмы живы, но их развитие ограничивается количеством доступной органики. Это оптимальные условия для Pseudomonadota и Bacteroidota.
При pH от восьми происходит взрывной рост редких видов. В обычных условиях на них приходятся не более процента от всех микроорганизмов, но гидроксид натрия высвобождает соединения углерода из почвенных частиц, и редкие виды (например, представители типа Bacillota) получают избыток питательных веществ, который дает им шанс быстро размножиться и нарастить свое присутствие в сотни раз. Эксперименты помогли создать математическую модель, которая воспроизвела денитрификацию при изменении pH и в почвах других типов из четырех регионов, ее ошибка на каждую точку отбора не превышала 10 процентов. Авторы исследования будут использовать модель для прогнозов отклика почвенного микробиома на сельскохозяйственную обработку почв, изменение климата и связанные с ним условия окружающей среды.
От редактора
Похоже, что модель действительно сможет описать отклик почв на изменение pH через процесс денитрификации, но пока только в умеренном поясе и для сельского хозяйства. Это уже немало, но для лесных, тропических, арктических, пустынных и болотных почв модель придется серьезно доработать — там процессы будут отличаться из-за морозов, анаэробных условий и иного состава микробного сообщества.
Общие закономерности для почвенного микробиома наблюдаются не только при изменении pH. Например, при засухах и заморозках микроорганизмы уходят в состояние покоя, а при наводнениях у них преобладают копиотрофные микробные стратегии — вовлечение в метаболизм лабильного органического углерода, то есть активное разрушение мертвой органики или экскрементов.
