Метагеномный анализ микробного сообщества в образцах казахстанского угля с использованием технологии секвенирования нового поколения Illumina

  • N. Sh. Аkimbekov Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • Xiaohui Qiao Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • K. Т. Tastambek Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • L. Digel Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • G. Zh. Abdieva Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • P. S. Ualieva Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • B. Berdikulov Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
  • A. A. Zhubanova Научно-исследовательский институт проблем биологии и биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы

Аннотация

В последние годы все большее внимание уделяется разработке биотехнологических процессов для утилизации ископаемых энергоресурсов. Как известно, в Казахстане достаточно угольных ресурсов, в том числе, низкокачественных бурых и окисленных бурых углей. Бурые угли (лигниты) не находят широкого применения в промышленности из-за их низкой энергетической ценности. В то же время, они являются наиболее богатыми источниками гуминовых веществ (ГВ), и потому играют важную роль в физико-химических процессах, происходящих в таких процессах, как улавливание и стабилизация углерода, инактивация пестицидов, тяжелых металлов и других загрязняющих веществ. Биообработка лигнита также включает производство чистой энергии.
Изучение микробного разнообразия углей является общей задачей экологической и прикладной микробиологии для эффективного использования угольных ресурсов. Доказано, что до 99% микроорганизмов, обитающих в природных условиях, не способны расти на питательных средах in vitro, используемых в лабораторной практике. В настоящее время имеются огромные возможности в использовании некультуральных методов, основанных на омикс-технологиях для изучения микробного разнообразия объектов окружающей среды, таких как почва, осадки, минералы и т.д.
В данной работе представлены и обсуждаются результаты микробного разнообразия проб угля казахстанских угольных месторождений, в которых применяется платформа технологии Illumina NGS. По результатам метагеномного анализа образцов угля (Ойкарагай, Ленгер, Караганда, Экибастуз) были идентифицированы и проанализированы 10 таксономических групп бактерий, принадлежащие к Proteobacteria, Tenericutes, Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes, Nitrospirae, Chloroflexi, Gemmatimonadetes, Acidobacteria и Fusobacteria.
Ключевые слова: бурый уголь, окисленный уголь, микробное разнообразие, микробное сообщество, метагеномика, секвенирование Illumina Miseq

##submission.authorBiography##

##submission.authorWithAffiliation##
PhD, и.о.доцента

Литература

1. Yong W., Petersen J.N., Kaufman E.N. Modeling the biological solubilization of coal in a Liquid Fluidized-Bed Reactor // Appl Biochem Biotechnol. – 1995. - Vol. 51, No. 52. - P. 437-447.
2. Xu X.H., Chen C.H., Qi H.Y. Development of coal combustion pollution control for SO2 and NOx in China // Fuel Processing Technol. – 2000. - Vol. 62, No. 2/3. - P. 153-160.
3. Yuan H., Yang J., Wang F. et al. The prospect of microbial sustainable utilization of lignite // World Science-Technology research and Development. – 2002. - Vol. 24, No. 3. - P. 13-17.
4. Dai H., Xiek U. Lignite utilization technology. – BeiJing: Coal industry press, 1998. -P. 4-7.
5. Nakagawa H., Namba A., Böhlmann M., Miura K. Hydrothermal dewatering of brown coal andcatalytic hydrothermal gasification of the organic compounds dissolving in the water using anovel Ni/carbon catalyst // Fuel. – 2004. -Vol. 83, No. 6. - P. 719-725.
6. Weber J.H. Binding and transport of metals by humic material. In: Frimmel F.H., Christman R.F., editors. Humic substances and their rolein the environment. - Chichester: John Wiley and Sons, 1988. P. 165-178.
7. Murphy E.M., Zachara J.M. The role of sorbedhumic substances onthe distribution of organic and inorganic contaminants in groundwater // Geoderma. – 1995. - Vol. 67. - Р. 103–124.
8. Christl I., Knicker H., Kogel I.K., Kretzschmar R. Chemical heterogeneityof humic substances: Characterization of size fractionsobtained by hollow-fibre ultrafiltration // Eur J Soil Sci. – 2000. - Vol. 510. - P. 617–625.
9. Piccolo A., Spaccini R., Nieder R. Sequestration of a biologicallylabile organic carbon in soils by humified organicmatter // Climatic Change. – 2004. –Vol. 67, No. 2-3. - P. 329-343.
10. Bandeira M., Mosca G., Vamerali T. Humic acids affect rootcharacteristics of fodder radish (Raphanussativus L.var.oleiformis Pers.) in metal-polluted wastes // Desalination. – 2009. - Vol. 246, No. 1-3. - P. 78-91.
11. Badis A., Ferradji F.Z., Boucherit A., Fodil D., Boutoumi H. Characterization and biodegradation of soil humic acids and preliminary identification of decolorizing actinomycetes at Mitidja plain soil (Algeria) // Microbiol Res. - 2009. - Vol. 3, No. 13. - P. 997-1007.
12. Barros L., Canellas L.P., Lopes F., Oliveira N., Lazaro E., Piccolo A. Bioactivity of chemically transformed humic matterfrom vermicompost on plant root growth // Agric Food Chem. - 2010. - Vol. 58, No. 6. - P. 3681-3688.
13. Fakoussa R.M. Investigation with microbial conversion of nationalcoals. - PhD thesis, University Bonn, 1981. - P. 634-642
14. Cohen M.S., Gabriele P.D. Degradation of coal by the fungi Polyporus versicolor and Poriamonticola // Appl Environ Microbiol. - 1982. - Vol. 51. - P. 437–447.
15. Fakoussa R.M, Hofrichter M. Biotechnology and microbiology of coal degradation // Appl. Microbiol. Biotechnol., - 1999. - Vol. 52. - P. 25–40.
16. Gupta A., Birenda K. Biogasification of coal using different sources of microorganisms // Fuel. – 2000. -Vol. 79. - P. 103–105.
17. Helena M., Kamila P., Anna P. Microbial degradation of low rank coals // Fuel Process Technol. – 2002. - Vol. 77/78. - P. 17–23.
18. Crowford D.L., Gupta R.K. Characterization of extracellular bacterial enzymes which depolymerize a soluble lignite coal polymer // Fuel - 1991. - Vol. 70. - P. 577–580.
19. Polman J.K., Brechkenridge C.R., Stoner D.L.. Biologically derived value-added products from coal // Appl Biochem Biotechnol. - 1995. - Vol. 54. - P. 249–255.
20. Davison B.H., Nicklaous D.M., Misra A., Lewis S.N., Faison BD. Utilization of microbially solubilized coal // Appl Biochem Biotechnol. - 1990. -Vol. 24, No 25. - P. 447–56.
21. Hess M., et al. Metagenomic discovery of biomass-degrading genes and genomes from cow rumen // Science. – 2011. - Vol. 331, No. 6016. - P. 463-467.
22. Avershina E., Trine F., Knut R. De novo Semi-alignment of 16S rRNA gene sequences for deep phylogenetic characterization of next generation sequencing data // Microbes and Environments. – 2013. - Vol. 28, No. 2. - P. 211-216.
23. Caporaso J.G., et al. Global patterns of 16S rRNA diversity at a depth of millions of period per sample // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2011. – Vol. 108. - P. 4516-4522.
24. Youssef N., et al. Comparison of species richness estimates using nearlyhed fragments and simulated pyrosequencing-fusion fragments in 16S rRNA gene-based environmental surveys // Applied and environmental microbiology. – 2009. - Vol. 75, No. 16. - P. 5227-5236.
25. Asnicar F., Weingart G., Tickle T.L, et al. Compact graphical representation of phylogenetic data and metadata with GraPhlAn. - PeerJ, 2015. - P. 1029.
26. DeSantis T.Z., et al. NAST: a multiple sequence alignment server for comparative analysis of 16S rRNA genes // Nucleic acids research. – 2006. - Vol. 34., Suppl. 2. – Р. 394-399.
27. Brian О.D., Bergman N.H., Phillippy A.P. Interactive metagenomic visualization in a Web browser // BMC bioinformatics. – 2011. - Vol. 12, No. 1. - P. 385.
28. Bulgarelli D., Garrido-Oter R., Münch P.C., et al. Structure and function of the bacterial root microbiota in wild and domesticated barley // Cell host & microbe. - 2015. - Vol. 17, No. 3. – P.392-403.
29. Li B., et al. Characterization of tetracycline resistant bacterial community in saline activated sludge using batch stress incubation with high-throughput sequencing analysis // Water research. – 2013. - Vol. 47, No. 13. - P. 4207-4216.
30. Lundberg D.S., et al. Practical innovations for high-throughput amplicon sequencing // Nature methods. – 2013. - Vol. 10, No. 10. - P. 999-1002.
31. Lozupone C., Rob K. UniFrac: a new phylogenetic method for comparison microbial communities // Applied and environmental microbiology. – 2015. - Vol. 71, No. 12. - P. 8228-8235.

References

1. Avershina E., Trine F., and Knut R. (2013) De novo Semi-alignment of 16S rRNA Gene Sequences for Deep Phylogenetic Characterization of Next Generation Sequencing Data. Microbes and Environments vol. 28 no. 2, pp. 211-216.
2. Asnicar F, Weingart G, Tickle T.L, et al. (2015) Compact graphical representation of phylogenetic data and metadata with GraPhlAn [J]. PeerJ, p. 1029.
3. Bandeira M., Mosca G., Vamerali T. (2009) Humic acids affect rootcharacteristics of fodder radish (Raphanussativus L. var.oleiformis Pers.) in metal-polluted wastes. Desalination.,vol. 246, no. 1-3, pp. 78-91.
4. Badis A., Ferradji F.Z., Boucherit A., Fodil D., Boutoumi H. (2009) Characterization and biodegradation of soil humic acids andpreliminary identification of decolorizing actinomycetes atMitidja plain soil (Algeria). Microbiol Res.,vol. 3, no. 13, pp. 997-1007.
5. Barros L., Canellas L.P., Lopes F., Oliveira N., Lazaro E., Piccolo A. (2010) Bioactivity of chemically transformed humic matterfrom vermicompost on plant root growth. Agric FoodChem., vol. 58, no. 6, pp. 3681-3688.
6. Bulgarelli D, Garrido-Oter R, Münch P C, et al. (2015) Structure and function of the bacterial root microbiota in wild and domesticated barley [J]. Cell host & microbe, vol. 17, no. 3, 392-403.
7. Caporaso, J. Gregory, et al. (2011) Global patterns of 16S rRNA diversity at a depth of millions of period per sample. Proceedings of the National Academy of Sciences 108. Suk 1, pp. 4516-4522.
8. Christl I., Knicker H., Kogel I.K., Kretzschmar R. (2000) Chemical heterogeneityof humic substances: Characterization of size fractionsobtained by hollow-fibre ultrafiltration.Eur J Soil Sci.,vol . 510, pp. 617–25.
9. Cohen M.S., Gabriele P.D. (1982) Degradation of coal by the fungi Polyporus versicolor and Poriamonticola. Appl Environ Microbiol., vol. 51, pp. 437–47.
10. Crowford DL., Gupta R.K. (1991) Characterization of extracellular bacterial enzymes which depolymerize a soluble lignite coal polymer. Fuel.,vol. 70, pp. 577–80.
11. DeSantis, T.Z., et al. (2006) NAST: a multiple sequence alignment server for comparative analysis of 16S rRNA genes. Nucleic acids research 34. Suppl 2, W394-W399.
12. Dai H., Xiek U. (1998) Lignite utilization technology. BeiJing.. Coal industry press. vol. 23 pp. 4-7.
13. Davison B.H., Nicklaous D.M., Misra A., Lewis S.N., Faison B.D. (1990) Utilization of microbially solubilized coal. Appl Biochem Biotechnol., vol. 24, no 25, pp. 447–56.
14. Fakoussa R.M. (1981) Investigation with microbial conversion of nationalcoals. PhD thesis, University Bonn. vol. 20, no. 4, pp. 634-642
15. Fakoussa R.M, Hofrichter M. (1999) Biotechnology and microbiology of coal degradation. ApplMicrobiolBiotechnol., vol. 52, pp. 25–40.
16. Gupta A., Birenda K. (2000) Biogasification of coal using different sources of micro-organisms. Fuel., vol. 79, pp. 103–5.
17. Nakagawa H., Namba A., Böhlmann M., Miura K. (2004) Hydrothermal dewatering of brown coal andcatalytic hydrothermal gasification of the organic compounds dissolving in the water using anovel Ni/carbon catalyst. Fuel., vol. 83, no. 6, pp. 719-725.
18. Weber J.H. Binding and transport of metals by humic material. In: Frimmel F.H., Christman R.F., editors. (1988) Humic substances and their rolein the environment. Chichester: John Wiley and Sons. pp. 165–78.
19. Murphy E.M., Zachara J.M. (1995) The role of sorbedhumic substances onthe distribution of organic and inorganic contaminants in groundwater. Geoderma., vol. 67, pp. 103–24.
20. Piccolo A., Spaccini R., Nieder R. (2004) Sequestration of a biologicallylabile organic carbon in soils by humified organicmatter. Climatic Change., vol .67, no. 2-3, pp. 329-343.
21. Helena M., Kamila P., Anna P. (2002) Microbial degradation of low rank coals. Fuel Process Technol. vol. 77/78, pp. 17–23.
22. Hess M., et al. (2011) Metagenomic discovery of biomass-degrading genes and genomes from cow rumen. Science. vol. 331, no. 6016, pp. 463-467.
23. Yong W., Petersen J.N., Kaufman E.N. (1995) Modeling the biological solubilization of coal in a Liquid Fluidized-Bed Reactor. ApplBiochemBiotechnol.vol. 51, no. 52, pp. 437–47.
24. Lundberg D.S., et al. (2013) Practical innovations for high-throughput amplicon sequencing. Nature methods vol. 10, no. 10, pp. 999-1002.
25. Lozupone, Catherine, and Rob Knight. (2015) UniFrac: a new phylogenetic method for comparison microbial communities. Applied and environmental microbiology vol. 71, no. 12, pp. 8228-8235.
26. Brian О.D., Bergman N.H., Phillippy A.P. (2011) Interactive metagenomic visualization in a Web browser. BMC bioinformatics vol. 12, no. 1, p. 385.
27. Polman J.K., Brechkenridge C.R., Stoner D.L. (1995). Biologically derived value-added products from coal. Appl Biochem Biotechnol., vol. 54, pp. 249–55.
28. Xu X.H., Chen C.H., Qi H.Y. (2000) Development of coal combustion pollution control for SO2 and NOx in China. Fuel Processing Technol.,vol. 62, no. 2/3, pp. 153-160.
29. Youssef N., et al. (2009) Comparison of species richness estimates using nearlyhed fragments and simulated pyrosequencing-fusion fragments in 16S rRNA gene-based environmental surveys. Applied and environmental microbiology. vol. 75, no. 16, pp. 5227-5236.
30. Yuan H., Yang J., Wang F. et al. (2002) The prospect of microbial sustainable utilization of lignite. World Science-Technology research and Development., vol. 24 no. 3, pp. 13 - 17.
31. Li B., et al. (2013) Characterization of tetracycline resistant bacterial community in saline activated sludge using batch stress incubation with high-throughput sequencing analysis. Water research, vol. 47, no. 13, pp. 4207-4216.
Опубликована
2018-11-15
Как цитировать
АKIMBEKOV, N. Sh. et al. Метагеномный анализ микробного сообщества в образцах казахстанского угля с использованием технологии секвенирования нового поколения Illumina. Experimental Biology, [S.l.], v. 76, n. 3, p. 28-39, nov. 2018. ISSN 2617-7498. Доступно на: <http://bb.kaznu.kz/index.php/biology/article/view/1338>. Дата доступа: 16 dec. 2018
Раздел
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

Особенность: этот модуль требует, что бы был включен хотя бы один модуль статистики/отчетов. Если ваши модули статистики возвращают больше одной метрики, то пожалуйста также выберите главную метрику на странице настроек сайта администратором и/или на страницах настройки управляющего журналом.