Теоретическая и прикладная экология1995-43012618-840610.25750/1995-4301-2026-1-209-216OtherБиоплёнки Nostoc commune как феномен многолетней природной вегетации в техногенной средеNostoc commune biofilms as a phenomenon of perennial natural vegetation in a technogenic environmentКороткихА. И.KorotkikhA. I.anastasi0301@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0700-371XКондаковаЛ. В.KondakovaL.V.https://orcid.org/0000-0002-2190-686XДомрачеваЛ. И.DomrachevaL. I.dli-alga@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7104-3337АшихминаТ. Я.AshikhminaT. Ya.https://orcid.org/0000-0003-4919-0047Vyatka State Agrotechnological University (Kirov, Russia)Вятский государственный агротехнологический университет (Киров, Россия)Institute of Biology of the Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Syktyvkar, Russia)Vyatka State University (Kirov, Russia)Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (Сыктывкар, Россия)Вятский государственный университет (Киров, Россия)250320261209216http://www.envjournal.ru/ari/v2026/v1/26122.pdf

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.

Structural features of natural Nostoc commune biofilms growing in the same technogenic ecotope for 20 years were analyzed. These biofilms are multicomponent communities, including phototrophic and saprotrophic microorganisms of various taxonomic groups. The structure of such biofilms is characterized by an extremely high population density, reaching −109 cells/1 g of dry mass. Nostoc commune is the dominant edifier of such terrestrial consortia. It has the ability to long-term coexistence with representatives of other phototrophic and heterotrophic microorganisms, both prokaryotic and eukaryotic. However, the species and quantitative composition of these biofilms changes affected by natural and technogenic factors. Nevertheless, the biofilm mesh-filament structure resembling pseudo-fabric retains. Probably, a natural in-soil pool of microorganisms is the basis for the N. commune biofilms forming. Spherical colonies of pure N. commune culture are the initial ones that subsequently combine other soil microbes. The N. commune has high affinity for its partners in biofilm. We confirmed in while determining the species, quantitative and structural features of biofilms collected in 2005 and 2025. Biofilms living and growing in a technogenic ecotope are resistant to possible contamination due to the multifunctional abilities of the partners, such as photosynthesis of cyanobacteria and algae, nitrogen-fixing ability of heterocyst-forming cyanobacteria and heterotrophic nitrogen fixers, destructive activity of ammonificators, micromycetes and actinomycetes. The above may be updated by the biofilm mechanical stability associated with the development of filamentous cyanobacteria, micromycetes (the total length of which can reach 1 km/g), and active mucus secretion, primarily by N. commune itself and other representatives. The data obtained indicate that N. commune biofilms function for a long period as a holistic “city of microbes”, and all its inhabitants adapt in coordinated manner to changing environment. Understanding this unique phenomenon of self-regulation opens up prospects for solving theoretical and applied problems in microbiology and ecology.

Nostoc communeприродные биоплёнкифототрофные и гетеротрофные микроорганизмывидовой и количественный состав биоплёнокNostoc communenatural biofilmsphototrophic and heterotrophic microorganismsbiofilm species and quantitative compositionРабота 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 № 125021402208-5.1. 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.x3. 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/S10630740200300254. 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/s11356-022-20238-65. 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.03272166. 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/S00978078210200447. 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/s11852-025-01119-98. Ashikhmina T.Ya., Domracheva L.I., Korotkikh A.I., Kondakova L.V., Skugoreva S.G., Fokina A.I. Permanent growth on a stony substrate // Biol. Bull. Russ. Acad. Sci. 2025. V. 52. Article No. 210. doi: 10.1134/S10623590257002449. 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.2008.09.00810. 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/s10311-024-01735-111. 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: 10.33925/1683-3759-2023-79412. 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/s44194-024-00039-413. 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.0000040458.35960.2514. 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.2011.12.01615. 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: 10.1080/09670262.2011.60242916. 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/s10750-021-04588-917. 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/nature1306818. 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/S10531-015-0898-419. 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/ciceq220511002r22. 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: 10.1127/1864-1318/2003/0109-046924. 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: 10.25750/1995-4301-2012-3-004-01825. 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/molecules2801026826. 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: 10.25750/1995-4301-2021-3-044-05127. 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).