КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-74-00142

НазваниеАнализ структурно-функционального разнообразия микробных сообществ, использующих горючие газы, образующиеся при подземном горении угольных пластов

РуководительКадников Виталий Валерьевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук", г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология

Ключевые словаэкология микроорганизмов, метагеном, микробное сообщество, некультивируемые микроорганизмы, гидрогенотрофы

Код ГРНТИ34.27.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Явления подземного горения угольных пластов распространены в природе и могут длиться веками и даже тысячелетиями. В условиях ограниченного доступа кислорода в присутствии воды горение угля сопровождается выделением большого количества газов, включающих в основном СО2, водород и СО. Эти газы по составу соответствуют синтез-газу, получаемому в процессах газификации угля, паровой конверсии метана, газификации широкого спектра источников углерода, включая бытовые и сельскохозяйственные отходы. В районах, где образующиеся при подземном горении угля горячие газы выходят на поверхность, могут формироваться локальные экстремальные экосистемы, для которых характерны высокие температуры. Содержащиеся в газах высокоэнергетические субстраты, такие как водород и СО, могут использоваться микроорганизмами, что определяет возможность развития в районах выхода газов специфических термофильных микробных сообществ. Такие экосистемы представляют собой природные лаборатории в которых происходит селекция микробных сообществ, способных эффективно утилизировать СО и водород как в анаэробных, так и в аэробных процессах. Однако, по сравнению с геотермальными экосистемами такие объекты практически не исследованы, мало известно о составе микробных сообществ и генетическом потенциале входящих в них микроорганизмов. Проект направлен на изучение методами метагеномики микробных сообществ грунтов в районах выхода на поверхность горячих газов, образующихся при подземном горении угольных пластов. Объектами исследования будут угольные месторождения Кемеровской области и Забайкалья. Метагеномика дает информацию о составе сообщества, его генетическом потенциале и осуществляемых биогеохимических процессах, а также без получения изолятов позволяет на геномном уровне описать отдельные линии микроорганизмов, реконструировать пути их метаболизма и определить функциональную роль в экосистеме. Метагеномный анализ исследуемых сообществ позволит установить, какие микроорганизмы могут использовать водород и СО в качестве субстратов и осуществлять автотрофную фиксацию углерода, и с помощью каких ферментов и путей метаболизма. Полученная информация открывает перспективы культивирования штаммов с нужными метаболическими возможностями. В результате сравнительного геномного анализа найденных видов и родственных им организмов из других местообитаний будут охарактеризованы механизмы распространения обнаруженных микроорганизмов и их адаптации к экстремальным условиям. Результаты проекта откроют перспективы разработки новых биотехнологических процессов глубокой переработки синтез-газа.

Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта будет характеристика состава и генетического потенциала природных микробных сообществ, развивающихся за счет использования газов, образующихся в результате подземного горения угля. Будут идентифицированы и охарактеризованы на геномном уровне присутствующие в сообществах микроорганизмы, выявлены основные пути их метаболизма, в том числе механизмы использования водорода и СО в качестве субстратов, пути автотрофной фиксации углерода, возможности использования других субстратов. В результате сравнительного геномного анализа будут установлены механизмы распространения обнаруженных микроорганизмов, колонизации ими новых термальных экологических ниш и адаптации к экстремальным условиям. Будут идентифицированы бактериофаги и плазмиды, которые могут быть источником инструментов для генетической инженерии штаммов, растущих на синтез-газе. Результаты проекта откроют перспективы разработки новых биотехнологических процессов глубокой переработки синтез-газа.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Явления подземного горения угольных пластов распространены в природе и могут длиться веками и даже тысячелетиями. В условиях ограниченного доступа кислорода в присутствии воды горение угля сопровождается выделением большого количества газов, включающих в основном СО2, водород и СО. Эти газы по составу соответствуют синтез-газу, получаемому в процессах газификации угля, паровой конверсии метана, газификации широкого спектра источников углерода, включая бытовые и сельскохозяйственные отходы. В районах, где образующиеся при подземном горении угля горячие газы выходят на поверхность, могут формироваться локальные экстремальные экосистемы, для которых характерны высокие температуры. Содержащиеся в газах высокоэнергетические субстраты, такие как водород и СО, могут использоваться микроорганизмами, что определяет возможность развития в районах выхода газов специфических термофильных микробных сообществ. Такие экосистемы представляют собой природные лаборатории, в которых происходит селекция микробных сообществ, способных эффективно утилизировать СО и водород как в анаэробных, так и в аэробных процессах. Однако, по сравнению с геотермальными экосистемами такие объекты практически не исследованы, мало известно о составе микробных сообществ и генетическом потенциале входящих в них микроорганизмов. Проект направлен на изучение микробных сообществ грунтов в районах выхода на поверхность горячих газов, образующихся при подземном горении угольных пластов. Конкретной задачей проекта является изучение микробных сообществ грунтов в районах подземного горения угля методами метагеномики. Объектами исследования были угольные месторождения Кемеровской области и Забайкалья. В течение первого года работы отобраны образцы грунта в районах подземного горения угольных пластов и выходов горячих газов на угольных карьерах в Кемеровской области и Республики Бурятия. Определены физико-химические характеристики и выделены препараты метагеномной ДНК. Состав микробных сообществ шести образцов горячего грунта охарактеризован с помощью высокопроизводительного секвенирования фрагментов генов 16S рРНК, амплифицированных из метагеномной ДНК с использованием «универсальных» праймеров. В микробных сообществах образцов грунта, отобранных из угольного карьера в Бурятии наиболее многочисленной группой являются термофильные бактерии филума Firmicutes, способные окислять присутствующий в угольных газах водород в процессах аэробного или анаэробного дыхания. Микробные сообщества угольного карьера в Кузбассе более разнообразны. Наряду с Firmicutes, среди вероятных термофилов в них были обнаружены представители филумов Aquificae, Chloroflexi и Deinococcus-Thermus. Для многих из них была показана способность окислять компоненты угольных газов – водород и СО. Проведено секвенирование метагенома микробного сообщества одного из образцов грунта, отобранных в Кузбассе, с использованием технологий Illumina и Oxford Nanopore, в резульатте анализа метагенома определены последовательности геномов 25 микроорганизмов-членов сообществ, определена их таксономическая принадлежность. Получены полные кольцевые геномы четырех бактерий – представителей родов Hydrogenobacter, Thermoflexus, Thermus и кандидатного рода UBA11096 (филум Aquificae).

 

Публикации


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Явления подземного горения угольных пластов распространены в природе и могут длиться веками и даже тысячелетиями. В условиях ограниченного доступа кислорода в присутствии воды горение угля сопровождается выделением большого количества газов, включающих в основном СО2, водород и СО. Эти газы по составу соответствуют синтез-газу, получаемому в процессах газификации угля, паровой конверсии метана, газификации широкого спектра источников углерода, включая бытовые и сельскохозяйственные отходы. В районах, где образующиеся при подземном горении угля горячие газы выходят на поверхность, могут формироваться локальные экстремальные экосистемы, для которых характерны высокие температуры. Содержащиеся в газах высокоэнергетические субстраты, такие как водород и СО, могут использоваться микроорганизмами, что определяет возможность развития в районах выхода газов специфических термофильных микробных сообществ. Такие экосистемы представляют собой природные лаборатории, в которых происходит селекция микробных сообществ, способных эффективно утилизировать СО и водород как в анаэробных, так и в аэробных процессах. Однако, по сравнению с геотермальными экосистемами такие объекты практически не исследованы, мало известно о составе микробных сообществ и генетическом потенциале входящих в них микроорганизмов. Проект направлен на изучение микробных сообществ грунтов в районах выхода на поверхность горячих газов, образующихся при подземном горении угольных пластов. Конкретной задачей проекта является изучение микробных сообществ грунтов в районах подземного горения угля методами метагеномики. Объектами исследования были угольные месторождения Кемеровской области и Забайкалья. В течение второго года работы просеквенирован метагеном грунта, отобранного в районе подземного горения угля в заброшенном карьере по добыче угля в районе города Гусиноозерска Республики Бурятия. Исследованный образец представлял собой нагретый до температуры 70С грунт, отобранный из трещины, из которой выходил горячий газ. Для секвенирования использовали комбинацию технологий Illumina и Oxford Nanopore. Из метагенома было собрано 40 геномов, соответствующих основным членам микробного сообщества, определена их таксономическая принадлежность. Доминирующий в сообществе филум Firmicutes представлен 28 геномами. Среди них были бактерии родов Hydrogenibacillus, Carbobacillus, Thermicanus, Brockia и Kyrpidia. Анализ геномов показал, что эти микроорганизмы могут расти в аэробных условиях за счет окисления молекулярного водорода и/или моноксида углерода, содержащихся в угольных газах. Большинство из них могут автотрофно фиксировать углерод в цикле Кальвина. Среди известных сульфатредуцирующих линий Firmicutes идентифицированы представители семейств Desulfovirgulaceae и Moorellaceae, определены их геномы. Определена полная геномная последовательность нового штамма Hydrogenibacillus schlegelii, выделенного из горячего грунта в районе подземного горения угля. Анализ генома H. schlegelii выявил набор генов, кодирующих аэробную дыхательную цепь, цикл Кальвина, мембран-связанную [NiFe] гидрогеназу группы 1d и СО дегидрогеназу. Новый штамм может быть использован для получения биомассы или ценных продуктов метаболизма из синтез-газа.

 

Публикации

1. В. В. Кадниковa, А. В. Марданов, А. В. Белецкий, О. В. Карначук, Н. В. Равин Метагеномный анализ микробного сообщества в районе подземного горения угля в Кемеровской области вывил доминирование термофильных бактерий филумов Deinococcus-Thermus, Aquificae и Firmicutes Микробиология, т. 90, № 5 (год публикации - 2021).

2. Кадников В.В., Марданов А.В., Белецкий А.В., Григорьев М.А., Карначук О.В., Равин Н.В. Thermophilic Chloroflexi Dominate in the Microbial Community Associated with Coal-Fire Gas Vents in the Kuznetsk Coal Basin, Russia Microorganisms, Volume 9, Issue 5 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Потенциал практического использования результатов работы связан с растущим интересом к разработке микробиологических процессов использования синтез-газа для получения соединений, являющихся «строительными блоками» для органического синтеза (ацетат, этанол, бутират и др.). Синтез-газ, представляющий собой смесь водорода и СО, получают в процессах газификации угля, паровой конверсии метана, переработки различных органических отходов, лигнин-содержащей биомассы и др. Наряду с использованием в процессе Фишера-Тропша для получения синтетического жидкого топлива, перспективным направлением использования синтез-газа является его микробная биоконверсия с получением таких соединений как ацетат, этанол, лактат и других интермедиатов органического синтеза. Обычно, для этого используются анаэробные ацетогенные клостридии, растущие на СО и Н2, и образующие ацетат в результате автотрофной фиксации углерода в пути Вуда-Льюнгдаля. Хотя такие процессы уже реализованы на промышленном уровне, низкая энергетическая эффективность ацетогенного метаболизма остается проблемой. Альтернативой могут быть энергетически более выгодные процессы аэробного окисления водорода и СО в сочетании с автотрофной фиксацией С02. Хотя известно много хемолитоавтотрофных микроорганизмов, растущих на Н2, СО и СО2, лишь несколько из них охарактеризованы, а разработка соответствующих биотехнологий находится на начальной стадии. Экосистемы грунтов в районах выхода угольных газов (являющихся естественным эквивалентом синтез-газа), образуемых в процессах подземного горения угля, являются «природной лабораторией», в которой происходит селекция микробных сообществ, способных эффективно утилизировать СО и Н2, как в анаэробных, так и в аэробных процессах. Анализ этих сообществ с использованием метагеномных методов позволил нам идентифицировать микроорганизмы, способные использовать синтез-газ и автотрофно фиксировать углерод. Полученная информация открывает перспективы культивирования соответствующих штаммов и поиска микроорганизмов с нужными метаболическими возможностями среди ранее полученных изолятов. В частности, выделенный из грунта в районе горения угля и просеквенированный штамм Hydrogenibacillus schlegelii в перспективе может быть использован для получения биомассы или ценных продуктов метаболизма из синтез-газа.