Проведён сравнительный анализ структурных особенностей природных биоплёнок Nostoc commune, вегетирующих в одном и том же техногенном экотопе в течение 20 лет. Данные биоплёнки представляют собой поликомпонентные сообщества, включающие фототрофные и сапротрофные микроорганизмы (МО) различных таксономических групп. Структура таких плёнок характеризуется экстремально высокой плотностью популяций, достигающей миллиардов клеток на 1 г воздушно-сухой массы. Nostoc commune, как доминант-эдификатор подобных наземных консорциумов, обладает способностью к длительному совместному существованию с представителями других фототрофных и гетеротрофных МО как прокариотных, так и эукариотных. Однако под влиянием природных и техногенных факторов возможны определённые изменения видового и количественного состава этих биоплёнок, которые, тем не менее, сохраняют свою сетчато-нитчатую структуру, напоминающую псевдоткань. Вероятно, основой формирования биоплёнок N. commune является природный внутрипочвенный пул МО, который первоначально даёт шаровидные колонии чистой культуры N. commune, впоследствии объединяющий других обитающих в почве микробов. Высокое сродство N. commune к своим партнёрам в биоплёнке доказано при определении видовых, количественных и структурных особенностей биоплёнок, собранных в 2005 и 2025 гг. Устойчивость биоплёнок, обитающих и вегетирующих в техногенном экотопе, к возможному загрязнению обусловлена многофункциональными способностями партнёров: фотосинтезом цианобактерий и водорослей, азотфиксирующей способностью гетероцистных цианобактерий и гетеротрофных азотфиксаторов, деструктивной активностью аммонификаторов, микромицетов и актиномицетов, а также механической устойчивостью самих биоплёнок, связанной с развитием нитчатых цианобактерий, микромицетов (суммарная длина которых может достигать 1 км/г), и активным выделением слизи, в первую очередь, самого N. commune и других представителей. Полученные данные свидетельствуют о том, что биоплёнки N. commune в течение длительного периода функционируют как целостный «город микробов», все обитатели которого координированно адаптируются к изменяющимся условиям среды. Понимание этого уникального феноменасаморегуляции открывает перспективы для решения теоретических и прикладных задач микробиологии и экологии.
Ключевые слова: Nostoc commune, природные биоплёнки, фототрофные и гетеротрофные микроорганизмы,видовой и количественный состав биоплёнок
Список процитированных источников
1. Pinevich A.V., Kozhevnikova E.V., Averina S.G. Biofilms and other prokaryotic consortia. St. Petersburg: Khimizdat, 2018. 264 p. (in Russian).
2. Christner M., Heinze С., Busch M., Franke G., Hentschke M., Bayard Dühring S., Büttner H., Kotasinska M., Wischnewski V., Kroll G., Buck F., Molin S., Otto M., Rohde H. sarA negatively regulates Staphylococcus epidermidis biofilm formation by modulating expression of 1 MDa extracellular matrix binding protein and autolysis-dependent release of eDNA // Mol. Microbiol. 2012. V. 86. No. 2. P. 394–410. doi: 10.1111/j.1365-2958.2012.08203.x
3. Andreeva N.A., Melnikov V.V., Snarskaya D.D. The role of cyanobacteria in marine ecosystems // Rus. J. Mar. Biol. 2020. V. 46. No. 3. P. 154–165. doi: 10.1134/S1063074020030025
4. Qin Z., Zhao Z., Xia L., Ohore O.E. Research trends and hotspots of aquatic biofilms in freshwater environment during the last three decades: a critical review and bibliometric analysis // Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022. V. 29. No. 32. P. 47915–47930. doi: 10.1007/s11356-022-20238-6
5. Hope J.A., Kleinteich J., Gerbersdorf S.U. Benthic biofilm structure and function under abrupt flow changes // PLoS One. 2025. V. 20. No. 7. Article No. e0327216. doi: 10.1371/journal.pone.0327216
6. Edelshtein K.K., Datsenko Yu.S., Puklakov V.V. Water blooming in the reservoir with long-term discharge regulation // Water Resour. 2021. V. 48. No. 2. P. 245–253. doi: 10.1134/S0097807821020044
7. Shaheen A., Kazmi S.U., Zafar U., Mahmood T., Hasnain S. Impacts of coastal development and microbial biofilm adaptation: towards ecosystem resilience // J. Coast. Conserv. 2025. V. 29. Article No. 34. doi: 10.1007/s11852-025-01119-9
9. Buis E.E., Veldkamp A., Boeken B., van Breemen N. Controls on plant functional surface cover types along precipitation gradient in the Negev Desert of Israel // J. Arid Environ. 2009. V. 73. No. 1. P. 82–90. doi: 10.1016/j. jaridenv.2008.09.008
10. Wang G., Li T., Zhou Q., Zhang X., Li R., Wang J. Characterization and environmental applications of soil biofilms: a review // Environ. Chem. Lett. 2024. V. 22. P. 1989–2011. doi: 10.1007/s10311-024-01735-1
11. Leontieva A.V., Pototskaya L.A., Chervinets Yu.V. Mechanisms of oral microbial biofilm formation in healthy people and patients with chronic generalized periodontitis // Parodontologiya. 2023. V. 28. No. 3. P. 208–217 (in Russian). doi: 10.33925/1683-3759-2023-794
12. Ren A., Zhou Y., Xu Z., Jia T., Yang L. Multiplespecies biofilms as structuralized microbial communities for modulating microbiota homeostasis in human // Curr. Med. 2024. V. 3. Article No. 12. doi: 10.1007/s44194-024-00039-4
13. Molina M.A., Ramos J.L., Espinosa-Urgel M. Plant-associated biofilms // Rev. Environ. Sci. Bio/Technol. 2003. V. 2. P. 99–108. doi: 10.1023/B:RE SB.0000040458.35960.25
14. Сarey C.C., Ibelings B.W., Hoffman E.P., Hamilton D.P., Brookes J.D. Eco-physiological adaptations that favour freshwater cyanobacteria in a changing climate // Water Res. 2012. V. 46. No. 5. P. 1394–1407. doi: 10.1016/j.watres.2011.12.016
15. Lopes V.R., Vasconcelos V.M. Planktonic and benthic cyanobacteria of European brackish waters: a perspective on estuaries and brackish seas // Eur. J. Phycol. 2016. V. 46. No. 3. P. 292–304. doi: 10.1080/09670262.2011.602429
16. Velichko N., Smirnova S., Averina S., Pinevich A. A survey of Antarctic cyanobacteria // Hydrobiologia. 2021. V. 848. No. 11. Р. 2627–2652. doi: 10.1007/s10750-021-04588-9
17. Lyons T.W., Reinhard C.T., Planavsky N.J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere // Nature. 2014. V. 506. No. 7488. P. 307–315. doi: 10.1038/nature13068
18. Sciuto K., Moro I. Cyanobacteria: the bright and dark sides of a charming group // Biodivers. Conserv. 2015. V. 24. P. 711–738. doi: 10.1007/S10531-015-0898-4
19. Domracheva L.I. Soil “blooming” and its development patterns. Syktyvkar: Institut biologii Komi NTs UrO RAN, 2005. 336 p. (in Russian).
20. Domracheva L.I., Kondakova L.V., Pegushina O.A., Fokina A.I. A biofilm of Nostoc commune as a special sphere of microbiota // Theoretical and Applied Ecology. 2007. No. 1. P. 15–19 (in Russian).
21. Rakić I.Z., Kevrešan Ž.S., Kovač R., Kravić S.Ž., Svirčev Z., Đjurović A., Stojanović Z. Bioaccumulation and biosorption study of heavy metals removal by Сyanobacteria Nostoc sp. // Chem. Ind. Chem. Eng. Q. 2023. V. 29. No. 4. P. 291–298. doi: 10.2298/ciceq220511002r
22. Zakirova Z.R., Dubovik I.E., Kireeva N.A. Distribution of the Nostoc commune in anthropogenically disturbed soils of the Republic of Bashkortostan and its accompanying organisms // Individual and population – life strategies: sbornik materialov IX Vserossijskogo populyacionnogo seminara. V. 1. Ufa: Vili Oxler LLC Publ., 2006. P. 337–342 (in Russian).
23. Patova E., Sivkov M. Accumulation of heavy metals by Nostoc commune Vauch. ex Bornet et Flahault (сyanoprokaryota) in terrestrial tundra ecosystems of the Russian Arctic // Algol. Stud. 2003. No. 109. P. 469–473. doi: 10.1127/1864-1318/2003/0109-0469
24. Domracheva L.I., Ashikhmina T.Ya., Kondakova L.V., Berezin G.I. Reaction of soil microbiota to pesticides (review) // Theoretical and Applied Ecology. 2012. No. 3. P. 4–18 (in Russian). doi: 10.25750/1995-4301-2012-3-004-018
25. Lavado-Meza C., de la Cruz-Cerrón L., LavadoPuente C., Angeles-Suazo J., Dávalos-Prado J.Z. Efficient lead Pb(II) removal with chemically modified Nostoc commune biomass // Molecules. 2023. V. 28. No. 1. P. 268–284. doi: 10.3390/molecules28010268
26. Skugoreva C.G., Kantor G.Ya., Domracheva L.I. Evaluation of the sorption efficiency of lead(II) ions using models of kinetics and sorption isotherm // Theoretical and Applied Ecology. 2021. No. 3. P. 44–51 (in Russian). doi: 10.25750/1995-4301-2021-3-044-051
27. Kondakova L.V., Domracheva L.I., Pegushina O.A., Fockina A.I. Disbalance factors and Nostoc commune // Soil contamination: new research / Ed. A.N. Dubois. New York: Nova Science Pub. Inc., 2008. P. 189–199.
28. Gollerbakh M.M., Shtina E.A. Soil algae. Leningrad: Nauka, 1969. 228 p. (in Russian).
29. Workshop on microbiology / Ed. A.I. Netrusov. Moskva: Academy Publ., 2005. 608 p. (in Russian).
Сведения о финансировании:
Работа выполнена в рамках государственного задания ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН по теме «Оценка состояния трансформированных экосистем подзоны южной тайги, методические подходы к их биоремедиации», номер государственной регистрации в ЕГИСУ № 125021402208-5.
В статье представлена характеристика эпифитных микробных комплексов лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl (Parmeliaceae) и коры сосны Pinus sylvestris L., на которой произрастает лишайник, собранных на участках, расположенных на разном удалении от бывшего объекта хранения и уничтожения химического оружия (ХО) «Марадыковский». Установлено, что численность эпифитной микробиоты H. physodes и субстрата её произрастания различается как между разными участками отбора, так и между талломами лишайника и корой. Между численностью эпифитной микробиоты лишайника и коры сосны существует высокая положительная корреляционная связь (r = 0,98–0,92). При всех существенных количественных отличиях эпифитных сообществ лишайника и коры сосны основным структурным элементом их стабильно выступают бактерии-аммонификаторы. Отмечена зависимость, согласно которой таллом лишайника H. physodes, обладая высокой метаболической активностью, заселён различными группами эпифитных микроорганизмов. Проведённый химический анализ, направленный на определение содержания основных химических элементов в талломах лишайника, также выявил неоднородность их содержания в талломах на исследуемых участках. Известно, что любые экологически обусловленные изменения биохимического состава субстрата (слоевищ лишайника и коры сосны) отражаются на численности и структуре микробного комплекса. Выявлена максимальная заселённость таллома эпифитной микробиотой в варианте с лишайником H. physodes на сосне с участка, расположенного недалеко от бывшего объекта уничтожения ХО, при минимальном содержании в нём тяжёлых металлов (ТМ) и высоком уровне макро- и микроэлементов. На участке, расположенном вблизи от бывшего объекта хранения ХО и железнодорожной магистрали федерального значения, выявлена минимальная численность микроорганизмов и более высокое содержание ТМ. Подобное изменение численности и структуры микробного комплекса свидетельствует о влиянии техногенной нагрузки различного характера на развитие микробиоты, что может использоваться при проведении экологического мониторинга как диагностический признак трансформации среды.
1. Gauslaa Y., Lie M., Ohlson M. Epiphytic lichen biomass in a boreal Norway spruce forest // The Lichenologist. 2008. V. 40. No. 3. P. 257–266. doi: 10.1017/ S0024282908007664
2. Bacon C.W., White J.F. Functions, mechanisms and regulation of endophytic and epiphytic microbial communities of plants // Symbiosis. 2016. V. 68. P. 87–98. doi: 10.1007/s13199-015-0350-2
3. Bordenstein S.R., Theis K.R. Host biology in light of the microbiome: ten principles of holobionts and hologenomes // PLoS Biol. 2015. V. 13. No. 8. P. e1002226. doi: 10.1371/journal.pbio.1002226
4. Guerrero R., Margulis L., Berlanga M. Symbiogenesis: the holobiont as a unit of evolution // Int. Microbiol. 2013. V. 16. No. 3. P. 133–143. doi: 10.2436/20.1501.01.188
5. Theis K.R., Dheilly N.M., Klassen J.L., Brucker R.M., Baines J.F., Bosch T.C.G., Cryan J.F., Gilbert S.F., Goodnight C.J., Lloyd E.A., Sapp J., Vandenkoornhuyse P., Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E., Bordenstein S.R. Getting the hologenome concept right: an ecoevolutionary framework for hosts and their microbiomes // mSystems. 2016. V. 1. No. 2. P. e00028-16. doi: 10.1128/mSystems.00028-16
6. Rosenberg E., Koren O., Reshef L., Efrony R., Zilber-Rosenberg I. The role of microorganisms in coral health, disease and evolution // Nat. Rev. Microbiol. 2007. V. 5. No. 5. P. 355–362. doi: 10.1038/nrmicro1635
7. Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E. Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution // FEMS Microbiol. Rev. 2008. V. 32. No. 5. P. 723–735. doi: 10.1111/j.15746976.2008.00123.x
8. Gilbert S.F., Sapp J., Tauber A.I. A symbiotic view of life: we have never been individuals // Q. Rev. Biol. 2012. V. 87. No. 4. P. 325–341. doi: 10.1086/668166
9. Иржигитова Д.М., Мошкова М.А., Петрова Е.А., Корчиков Е.С. Кора деревьев и кустарников как субстрат для эпифитных лишайников в степной зоне (на примере Самарской области) // Вестник СамГУ – Естественнонаучная серия. 2013. № 9/1 (110). С. 151–157.
10. Muchnik E.E., Blagoveshchenskaya E.Yu. Distribution of epiphytic lichens along a tree’s trunk // Russian Journal of Ecology. 2022. V. 53. No. 6. P. 448–455. doi: 10.1134/s106741362206011x
11. Cleavitt N.L., Dibble A.C., Werier D.A. Influence of tree composition upon epiphytic macrolichens and bryophytes in old forests of Acadia National Park, Maine // The Bryologist. 2009. V. 112. No. 3. Р. 467–487. doi: 10.1639/0007-2745-112.3.467
12. Жукова Л.А., Нотов А.А. О проблеме сопряженного анализа онтогенеза дерева и динамики эпифитного мохово-лишайникового покрова // Полевой журнал биолога. 2020. Т. 2. № 4. С. 310–320. doi: 10.18413/26583453-2020-2-4-310-320
13. Kovaleva N.M., Ivanova G.A. Features of the biomass distribution of epiphytic lichens on Scotch pine (Lower Angara region) // Contemporary Problems of Ecology. 2012. V. 5. No. 3. P. 319–322. doi: 10.1134/ S1995425512030080
14. Суетина Ю.Г. Изменчивость морфометрических признаков Hypogymnia physodes (L.) Nyl., произрастающей на берёзе повислой с разным положением на стволе и в рельефе // Самарский научный вестник. 2024. Т. 13. № 4. С. 42–46. doi: 10.55355/snv2024134106
15. Суетина Ю.Г. Морфометрическая реакция лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl. в придорожных сосняках на разный уровень автомобильного загрязнения // Самарский научный вестник. 2025. Т. 14. № 4. С. 64–68. doi: 10.55355/snv2025144107
16. Бровко О.С., Слобода А.А., Жильцов Д.В., Бойцова Т.А., Пустынная М.А., Ивахнов А.Д. Выделение биологически активных веществ фенольной природы из лишайника Hypogymnia physodes // Химия растительного сырья. 2023. № 4. С. 155–164. .doi: 10.14258/jcprm.20230412826
17. Дейнеко И.П., Дейнеко И.В., Белов Л.П. Исследование химического состава коры сосны // Химия растительного сырья. 2007. № 1. С. 19–24.
18. Домнина Е.А., Дабах Е.В., Ашихмина Т.Я., Кантор Г.Я., Тимонов А.С. Мониторинг растительности в районе предприятий по утилизации опасных промышленных отходов // Теоретическая и прикладная экология. 2025. № 2. С. 63–71. doi: 10.25750/1995-43012025-2-063-071
19. Ашихмина Т.Я., Домрачева Л.И., Домнина Е.А., Кантор Г.Я., Кочурова Т.И., Кондакова Л.В., Огородникова С.Ю., Олькова А.С., Панфилова И.В. Система биологического мониторинга компонентов природной среды в районе объекта хранения и уничтожения химического оружия «Марадыковский» Кировской области // Теоретическая и прикладная экология. 2008. № 4. С. 32–38. doi: 10.25750/1995-4301-2008-4-032-38
20. Скугорева С.Г., Домрачева Л.И., Фокина А.И., Домнина Е.А., Кулаков В.Н., Коротких А.И., Ашихмина Т.Я. Сравнительный анализ химического состава и особенностей поверхностных микробных комплексов лишайников и субстратов их произрастания // Химия растительного сырья. 2022. № 1. С. 141–152. doi: 10.14258/jcprm.20220110122
21. Табаленкова Г.Н., Далькэ И.В., Головко Т.К. Элементный состав биомассы некоторых видов лишайников бореальной зоны на Европейском Северо-Востоке // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 2. С. 221–225.
22. Катаева М.Н., Беляева А.И. Накопление тяжёлых металлов в эпифитных лишайниках ельника подзоны средней тайги // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2021. № 7. С. 17–21. doi: 10.17513/mjpfi.13242
23. Жидков А.Н. Накопление химических веществ эпифитными и эпигейными лишайниками сосновых насаждений в условиях техногенного загрязнения среды // Лесной вестник. 2008. № 1. C. 151–156.
24. Трифонова Т.А., Салмин А.С. Использование лишайника Hypogymnia physodes в качестве аккумулятивного биоиндикатора техногенного загрязнения атмосферы // Юг России: экология, развитие. 2019. Т. 14. № 2. С. 150–163. doi: 10.18470/1992-1098-2019-2-150-163
25. Meysurova А.F., Notov A.A. Metal and metalloid contents in lichens from specially protected conservation areas // Theoretical and Applied Ecology. 2020. No. 3. P. 58–65. doi: 10.25750/1995-4301-2020-3-058-065
26. Ашихмина Т.Я. Комплексный экологический мониторинг объектов хранения и уничтожения химического оружия. Киров: Вятка, 2002. 544 с.
27. Nieboer E., Richardson D.H.S., Tomassini F.D. Mineral uptake and release by lichens: an overview // Bryologist. 1978. V. 81. No. 2. P. 226–246. doi: 10.2307/3242185
28. Podterob A.P. Chemical composition of lichens and their medical applications // Pharm. Chem. J. 2008. V. 42. P. 582–588. doi: 10.1007/s11094-009-0183-5
29. Бровко О.С., Паламарчук И.А., Слобода А.А., Бойцова Т.А., Гагушкина А.А., Вальчук Н.А. Влияние стрессовых воздействий на компонентный состав лишайников рода Сladonia Евроарктического региона // Успехи современного естествознания. 2016. № 8. С. 20–24. doi: 10.17513/use.36072
30. Latkowska E., Bober B., Chrapusta E., Adamski M., Kaminski A., Bialczyk J. Secondary metabolites of the lichen Hypogymnia physodes (L.) Nyl. and their presence in spruce (Picea abies (L.) H. Karst.) bark // Phytochemistry. 2015. V. 118. P. 116–123. doi: 10.1016/j. phytochem.2015.08.016
Сведения о финансировании:
Работа выполнена в рамках государственного задания Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (№ 125021402208-5).
ISSN 1995-4301
Выбор параметров просмотра
