Координатор: д-р биол. наук Печуркин Н. С.

Исполнители: ИБФ, ИЛ, ИВМ, ЛИН СО РАН

На организменном уровне исследована зависимость кинетики роста природных и трансгенных штаммов бактерий в зависимости от давления селективного фактора на экспрессию плазмидных генов. Показано, что даже в отсутствие селективного давления штаммы с конститутивной экспрессией плазмидных генов являются менее жизнеспособными, чем штаммы, у которых, даже при высокой копийности плазмид, экспрессия генов носит индуцибельный (управляемый клеточными регуляторными системами) характер. Выделена природная плазмида (2,7 тыс. нуклеотидных пар), увеличивающая устойчивость клеток к осмотическому давлению, которая может быть использована для повышения выживаемости штаммов-деструкторов в водных и почвенных экосистемах (с повышенной засоленностью) с целью их биоремедиации.

На популяционном уровне предложена методика решения класса задач, связанных с микроэволюционной адаптацией микробных популяций к ингибирующим рост факторам. Постоянное давление отбора создается за счет введения обратной связи между уровнем действующего фактора и уровнем приспособленности популяции, что позволяет регулировать концентрацию ингибитора в среде в зависимости от средней удельной скорости роста популяции. Этот метод назван методом управляемой автоселекции. Подобные методы управляемой автоселекции апробированы экспериментально в турбидостатах и градиентостатах. Были проведены опыты по адаптации популяции бактерий E. coli и Pseudomonas sp. к предельно высоким концентрациям таких ингибиторов как L-валин, лимонная кислота, формальдегид и ионы лития. (Другими методами получить такие высокорезистентные штаммы оказалось невозможным.)

На экосистемном уровне c помощью математического моделирования водных экосистем с различной структурной организацией исследована зависимость интенсивности биотического круговорота от активности функционирования отдельных звеньев экосистемы (по величине чистой первичной продукции). Показано, что чистая первичная продукция экосистемы зависит от функциональных характеристик отдельных трофических звеньев (интенсивности выедания, эффективности каннибализма, числа трофических звеньев, величины антропогенной нагрузки (см. рисунок).

Отклик модельных экосистем с разным типом трофической регуляции звеньев ("bottom-up" и "top-down") при различных уровнях антропогенного воздействия (S total). При антропогенном увеличении общей концентрации биогенных элементов (S total) величина чистой первичной продукции (NPP) возрастает интенсивнее в экосистемах с "bottom-up"-регуляцией (с четным числом трофических звеньев), чем в экосистемах с "top-down" регуляцией (с нечетным числом трофических звеньев). Меняя тип регуляции экосистемы, можно влиять на степень антропогенной нагрузки. "bot-tom-up" - ресурсный контроль снизу вверх; "top-down" - контроль хищником сверху вниз. Figure. Response of model ecosystems with different types of trophic regulation of the links ("bottom-up" и "top-down") under various levels of anthropogenic impact (S total). In ecosystems with a "bottom-up" regulation (the even number of trophic links), under a human-induced increase in the total concentration of biogenic elements (S total), net primary pro-duction (NPP) increases more intensively than in ecosystems with a "top-down" regulation (the odd number of trophic links). By changing the type of ecosystem regulation, one can vary the level of human impact.

Реальной проверкой теоретических изысканий является практическое приложение результатов. Проведение процессов биоремедиации конкретных нефтезагрязненных сайтов Среднего и Нижнего Приобья показало необходимость и эффективность применения интеграционного биоиерархического подхода. Для повышения эффективности очистки нужно грамотно использовать все уровни биоиерархии. На организменном уровне были отобраны штаммы, физиологически способные к деструкции нефтепродуктов в низкотемпературных условиях, для ряда из них на популяционном уровне было проведено управляемое культивирование с автоселекцией наиболее активных форм, с переходом к экосистемному уровню были созданы ассоциации — микробные биоценозы, утилизирующие широкий спектр загрязнений. Должны учитываться также абиотические факторы, характеризующие конкретную экосистему. Осмысление и выполнение большинства из этих условий биоиерархического подхода позволило провести весьма эффективно процесс реальной очистки на территории около 1300 га. Дальнейшее развитие этих работ должно стать примером применения интеграционного биоиерархического подхода.

1. Pechurkin N. S., Shirobokova I. M. Closed artifical ecosystems as a means of ecosystem studies for earth and space needs// Adv. in Space research. 2001. V. 27, N 9. P. 1497—1504
2. Pisman T. I., Pechurkin N. S., Somova L. A. Competition between links in “producer-consumer” trophic chains in an aquatic closed system with spatially separated components // Ibid. P. 1599—1603.
3. Somova L. A., Pechurkin N. S., Sarangova A. B., Pisman T. I. Effect of bacterial population density on germinationwheat seeds and dynamics of simple artificial ecosystems // Ibid. P. 1611—1615.
4. Popova L. Yu., Lobova T. I., Krylova T. Yu., Kargatova T. V., Maksimova E. E., Boyandin A. N., Pechurkin N. S. The adaptation of Escherichia coli and Bacillus subtilis transgenic microorganisms to microecosystem conditions// Ibid. P. 1571—1579.
5. Попова Л. Ю., Максимова Е. Е., Лобова Т. И., Каргатова Т. В., Бояндин А. Н., Крылова Т. Ю., Печуркин Н. С. Стабильность поддержания рекомбинантных плазмид в клетках трансгенных микроорганизмов при разных условиях существования// Микробиология. 2001. Т. 70, № 6. С. 796—803.
6. Lobova T. I., Maksimova E. E., Popova L. Yu., Pechurkin N. S. Geographical and seasonal distribution of multiple antibiotic resistance of heterotrophic bacteria of Shira Lake// Aquatic Ecology. 2002. V. 36, N 2. P. 299—307.

В оглавление

Далее