Biomics

Подземные источники воды и перемещение воды в различных горных породах, включая карсты, представляет значительный интерес по многим причинам, среди которых немалое значение играет хозяйственная деятельность человека. Для трассирования водотоков применяют разнообразные метчики – стабильные и радиоактивные изотопы, микроорганизмы и бактериофаги, твердые частицы в виде спор ликоподия, растворимые соли (хлориды, бромиды, прочие ионы), а также флуоресцентные красители. Относительно недавно для этой цели стали применять молекулы ДНК, которые можно с высокой чувствительностью детектировать с помощью полимеразной цепной реакции. Обычно используемое количество ДНК-метчиков составляет 10¹⁵–10¹⁶ молекул, что обеспечивает их уверенное обнаружение даже несмотря на значительное разбавление водными потоками. Помимо высокой чувствительности, другими преимуществами ДНК-метчиков для трассирования водотоков являются их экологичность и относительная дешевизна. Ввиду возможного разрушения ДНК в водной среде и сорбции на различных породах предложено использовать инкапсулированные молекулы, оболочками для которых служат полимолочная кислота, кремнезем, альгинаты и другие соединения. Спрогнозирован эксперимент по трассировке водотока ручья Тютюлена от понора у пещеры Кош до грифона Таравал, свидетельствующий о том, что в этом случае с учетом расхода воды будет достаточно всего около 10¹² молекул ДНК.

гидрогеология, трассирование, ДНК-метчики, синтетическая ДНК, ПЦР, секвенирование, карст, трещиноватые породы

1. Абдрахманов Р.Ф., Мартин В.И., Попов В.Г., Рождественский А.П., Смирнов А.И., Травкин А.И. Карст Башкортостана // Информреклама. Уфа. 2002. 383 с.
2. Гарафутдинов Р.Р., Баймиев Ан.Х., Малеев Г.В., Алексеев Я.И., Зубов В.В., Чемерис Д.А., Кирьянова О.Ю., Губайдуллин И.М., Матниязов Р.Т., Сахабутдинова А.Р., Никоноров Ю.М., Кулуев Б.Р., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. Разнообразие праймеров для ПЦР и принципы их подбора. Биомика. 2019. Т.11(1). С. 23 – 70. DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2019-04
3. Гарафутдинов Р.Р., Мавзютов А.Р., Алексеев Я.И., Воробьев А.А., Никоноров Ю.М., Чубукова О.В., Матниязов Р.Т., Баймиев Ан.Х., Максимов И.В., Кулуев  Б.Р.,  Баймиев  Ал.Х., Чемерис А.В. Бетакоронавирусы    человека    и    их высокочувствительная детекция с помощью ПЦР и прочих методов амплификации // Biomics. 2020. Т.12(1). С. 121-179. DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2020-7  
4. Кирьянова О.Ю., Кирьянов И.И., Гарафутдинов Р.Р., Чемерис А.В., Губайдуллин И.М. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ GATCGGenerator №2021667097 от 25 октября 2021 г. Мавзютов А.Р., Гарафутдинов Р.Р., Халикова Е.Ю., Газизов Р.Р., Баймиев Ан.Х., Никоноров Ю.М., Максимов И.В., Кулуев Б.Р., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. Загадки нового коронавируса SARS-CoV-2 // Биомика. 2021. Т.13(1). С. 75-99. DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2021-7
5. Мавзютов А.Р., Гарафутдинов Р.Р., Халикова Е.Ю., Юлдашев Р.А., Хусаинова Р.И., Чубукова О.В., Гималов Ф.Р., Матниязов Р.Т., Алексеев Я.И., Воробьев А.А., Вершинина З.Р., Мифтахов И.Ю., Никоноров Ю.М., Максимов И.В., Кулуев Б.Р., Баймиев Ан.Х., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. Проблемные аспекты диагностики коронавирусной инфекции SARS-CoV-2 с помощью обратно-транскрипционной ПЦР // Biomics. 2020. Т.12(4). С. 564-590. DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2020-50
6. Чемерис Д.А., Сагитов АМ., Аминев Ф.Г., Луценко В.И., Гарафутдинов Р.Р., Сахабутдинова А.Р., Василов Р.Г., Алексеев Я.И., Сломинский П.А., Хуснутдинова Э.К., Чемерис А.В. Эволюция подходов к ДНК-идентификации личности Биомика. 2018. Т.10(1). С.85-140. DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2018-16
7. Яйкаров С.А., Кузьмина Л.Ю., Червяцова О.Я., Гарафутдинов Р.Р. Трассирование подземного водотока «ручей Тютюлена — пещера Кош — грифон Таравал» (Южный Урал) // Пещеры. Сборник научных трудов. Пермь, 2016. С. 6-14. Aquilanti L., Clementi F., Landolfo S., Nanni T., Palpacelli S., Tazioli A. A DNA tracer used in column tests for hydrogeology applications // Environmental earth sciences. 2013. V. 70. P. 3143–3154. doi: https://doi.org/10.1007/s12665-013-2379-y
8. Aquilanti L., Clementi F., Nanni T. et al. DNA and fluorescein tracer tests to study the recharge, groundwater flow path and hydraulic contact of aquifers in the Umbria-Marche limestone ridge (central Apennines, Italy) // Environ Earth Sci. 2016. V. 75. P. 626. doi: https://doi.org/10.1007/s12665-016-5436-5
9. Dahlke H.E., Williamson A.G., Georgakakos C., Leung S., Sharma A.N., Lyon S.W., Walter M.T. Using concurrent DNA tracer injections to infer glacial flow pathways / Special Issue: Tracer advances in catchment hydrology. 2015. V. 29(25). P. 5257-5274. doi: https://doi.org/10.1002/hyp.10679        
10. Davis S.N., ThompsonG.M., Bentley H.W., Stiles G. Ground-Water Tracers — A Short Review // Groundwater. 1980. V. 18(1). P. 14-23. doi: https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1980.tb03366.x.
11. Foppen J.W., Orup С., Adell R., Poulalion V., Uhlenbrook S. Using multiple artificial DNA tracers in hydrology // Hydrological Process. 2011. V.25(19). P.3101-3106. doi: https://doi.org/10.1002/hyp.8159
12. Foppen J.W., Seopa J., Bakobie N., Bogaard T. Development of a methodology for the application of synthetic DNA in stream tracer injection experiments // Water resources research. 2013. V.49. P. 5369–5380. doi: https://doi.org/10.1002/wrcr.20438.
13. Foppen W., Bogaard T.,van Osnabrugge B., Puddu M., Grass R. The potential of silica encapsulated DNA magnetite microparticles (SiDNAMag) for multi- tracer studies in subsurface hydrology EGU General Assembly Conference Abstracts. 2015.
14. Grass R.N., Schälchli J., Paunescu D., Soellner J.O.B., Kaegi R., Stark W.J. Tracking trace amounts of submicrometer silica particles in wastewaters and activated sludge using silica-encapsulated DNA barcodes // Environmental Science & Technology Letters. 2014. V. 1(12). P. 484-489. doi: https://doi.org/10.1021/ez5003506
15. Levy-Booth D.J., Campbell R.G., Gulden R.H., Hart M.M., Powell J.R., Klironomos J.N., Pauls K.P., Swanton C.J., Trevors J.T., Dunfield K.E.Cycling of extracellular DNA in the soil environment // Soil Biology and Biochemistry. 2007. V. 39(12). P. 2977-2991. doi: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2007.06.020
16. Liao R., Yang P., Wu W., Luo D., Yang D. A DNA tracer system for hydrological environment investigations // Environ Sci Technol. 2018. V. 52(4). P. 1695-1703. doi: https://doi.org/10.1021/acs.est.7b02928
17. Liao R., Zhang J., Li T., Luo D., Yang D. Biopolymer/plasmid DNA microspheres as tracers for multiplexed hydrological investigation // Chemical Engineering Journal. 2020. V. 12. P. 401. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126035
18. Mikutis G., Deuber C.A., Schmid L., Kittilä A., Lobsiger N., Puddu M., Asgeirsson D.O., Grass R.N., Saar M.O., Stark W.J. Silica - encapsulated DNA-based tracers for aquifer characterization // Environ Sci Technol. 2018   V.   52(21).   P.   12142-12152.   doi: https://doi.org/10.1021/acs.est.8b03285
19. Mullis K.B., Faloona F.A. Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction // Methods Enzymol. 1987. V.155. P.335-350. doi: https://doi.org/10.1016/0076-6879(87)55023-6
20. Pang L., Abeysekera G., Hanning K., Premaratne A., Robson B., Abraham P., Sutton R., Hanson C., Hadfield J., Heiligenthal L., Stone D., McBeth K., Billington C. Water tracking in surface water, groundwater and soils using free and alginate-chitosan   encapsulated synthetic DNA tracers // Water Res. 2020. V. 184. P. 116-192. doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116192.
21. Pang L., Robson B., Farkas K., McGill E., Varsani A., Gillot L., Li J., Abraham P. Tracking effluent discharges in undisturbed stony soil and alluvial gravel aquifer using synthetic DNA tracers // Sci Total Environ. 2017.   V.   592.   P.   144-152.   doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.03.072
22. Paunescu D., Puddu M., Soellner J.O., Stoessel P.R., Grass R.N. Reversible DNA encapsulation in silica to produce ROS-resistant and heat-resistant synthetic DNA 'fossils' // Nat. Protoc. 2013. V.8(12). P.2440-2448. doi: https://doi.org/10.1038/nprot.2013.154
23. Sabir I.H., Alestrom P., Haldorsen S. Use of synthetic DNA as new tracers for tracing ground water flow and multiple contaminants //Journal of Applied Sciences. 2001. V. 1. P. 233-238.
24. Sabir I.H., Haldorsen S.,Torgersen J., Aleström P., Gaut S., Colleuille H., Pedersen, T.S., Kitterød N.O. Synthetic DNA tracers: Examples of their application in water related studies / Tracers and modelling in hydrogeology. Proceedings of TraM'2000, the International Conference on Tracers and Modeling in Hydrogeology held at Liège, Belgium, May 2000. P.159-165 ref.11.
25. Sabir, I., Torgersen J., Haldorsen S., Aleström P. DNA tracers with information capacity and high detection sensitivity tested in groundwater studies // Hydrogeology Journal. 1999. V. 7. P. 264-7272. doi: https://doi.org/10.1007/s100400050200.
26. Sabir, Iftikhar & Haldorsen, Sylyt & Torgersen, Jacob & Alestrom, Peter & Colleuille, Hervé & Pedersen, Tor & Nils-Otto,. (2000)..
27. IAHS-AISH Publication. Saiki R.K., Scharf S., Faloona F., Mullis K.B., Horn G.T., Erlich H.A., Arnheim N. Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia // Science. 1985. V.230(4732). P.1350-1354. doi: https://doi.org/10.1126/science.2999980
28. Senapati D., Bhattacharya M., Kar A., Chini D.S., Das B.K., Patra B.C. Environmental DNA (eDNA): A promising biological survey tool for aquatic species detection // Proceedings of the Zoological Society. 2018. V. 72 (3). P. 211-228.
29. Sharma A.N., Luo D., Walter M.T. Hydrological tracers using nanobiotechnology: Proof of concept // Environmental science & technology. 2012. V. 46. P. 8928-8936. doi: https://doi.org/10.1021/es301561q
30. Zhang Y., Hartung M., Hawkins A., Dekas A., Li K., Horne R. DNA tracer transport through porous media the effect of DNA length and adsorption // Water Resources Research. 2021. V. 57(2). https://doi.org/10.1029/2020WR028382