Повышение температуры в тундре на северных широтах Земли может повлиять на микробные сообщества таким образом, что, вероятно, увеличится производство ими парниковых газов метана и углекислого газа, предполагает новое исследование экспериментально нагретой почвы Аляски.
Около половины всего мирового подземного углерода хранится в почвах этих холодных северных широт. Это более чем в два раза превышает количество углерода, содержащегося в настоящее время в атмосфере в виде углекислого газа, но до сих пор большая его часть была заперта в очень холодной почве. Новое исследование, основанное на метагеномике для анализа изменений в микробных сообществах, подвергающихся экспериментальному нагреву, может усилить опасения по поводу того, как высвобождение этого углерода может усугубить изменение климата.
«Мы увидели, что микробные сообщества довольно быстро - в течение четырех или пяти лет - реагируют даже на скромные уровни потепления», - сказал Костас Т. Константинидис, автор статьи и профессор Школы гражданского строительства и экологии. и Школа биологических наук Технологического института Джорджии.
"Микробные виды и их гены, участвующие в выделении углекислого газа и метана, увеличили свою численность в ответ на воздействие потепления. Мы были удивлены, увидев такую реакцию даже на умеренное потепление."
Новое исследование было поддержано Министерством энергетики США и Национальным научным фондом и опубликовано 8 июля в раннем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследователи из Университета Оклахомы, Мичиганского государственного университета и Университета Северной Аризоны сотрудничали с Технологическим институтом Джорджии в этом исследовании.
Исследование предоставляет количественную информацию о том, как быстро микробные сообщества реагировали на потепление на критических глубинах, и выделяет доминирующий микробный метаболизм и группы организмов, которые реагируют на потепление в тундре. В работе подчеркивается важность точного представления роли почвенных микробов в климатических моделях.
Исследование началось в сентябре 2008 года во влажной, кислой зоне тундры во внутренних районах Аляски недалеко от национального парка Денали. Было создано шесть экспериментальных блоков, и в каждом блоке зимой на расстоянии пяти метров друг от друга были сооружены два снегозаграждения для контроля снежного покрова. Более толстый снежный покров зимой служил изолятором, создавая на экспериментальных участках несколько повышенные температуры - около 1,1 градуса Цельсия (2 градуса по Фаренгейту).
За исключением разницы температур, почвенные условия на опытных и контрольных участках были схожими. Почвенные керны были взяты с опытных и контрольных площадок на двух разных глубинах в два разных срока: через 1,5 года после начала эксперимента и через 4,5 года после начала.
Микробная ДНК была извлечена из ядер и секвенирована с использованием ядра геномики в Технологическом институте Джорджии.
"Наш анализ полученных данных показал, какие виды существовали, в какой численности, какие виды реагировали на потепление и насколько - и какими функциями они обладали, связанными с использованием и выделением углерода", - сказал Эрик Р. Джонстон., в настоящее время научный сотрудник Ок-Риджской национальной лаборатории, проводивший анализ исследования в качестве доктора философии Технологического института Джорджии. студент.
Керн экспериментального и контрольного участков сравнивали, чтобы оценить влияние потепления. Совокупное дыхание экосистемы также было отобрано в течение месяца после удаления кернов.
«Реакция, которую мы наблюдали, заметно отличалась между двумя глубинами почвы (от 15 до 25 сантиметров и от 45 до 55 сантиметров), которые были отобраны для этого исследования», - сказал Джонстон.«В частности, на верхней границе начального пограничного слоя вечной мерзлоты - на глубине 45-55 сантиметров от поверхности - относительная численность генов, участвующих в производстве метана (метаногенезе), увеличивалась с потеплением, а генов, участвующих в дыхании органическим углеродом - высвобождении углерода диоксида - стало больше на меньших глубинах."
Измерение дыхания сообщества показало увеличение скорости выделения углекислого газа и метана на прогретых участках. «Аналогичные измерения также показали, что эти газы высвобождаются с большей скоростью во всем регионе в последние годы в результате потепления климата», - добавил Джонстон..
Две глубины почвы соответствуют активному слою у поверхности, который замерзает зимой, но оттаивает в теплые месяцы, обнажая углерод. Более глубокие измерения исследовали почву чуть выше вечной мерзлоты, которая оттаивает лишь на короткое время каждый год. Эти вариации создают фундаментальные различия в биологии и химии на двух глубинах.
«Мы ожидали увидеть реакцию на потепление, которая различалась между двумя глубинами отбора проб», - сказал Джонстон. «Продолжающееся таяние вечной мерзлоты наблюдается в глобальном масштабе, поэтому нас особенно интересовала оценка микробиологических реакций на таяние вечной мерзлоты».
Исследование подчеркивает важность микробных сообществ в содействии атмосферному метану и углекислому газу изменению климата, сказал Константинидис.
"Из-за очень большого количества углерода в этих системах, а также быстрой и четкой реакции на потепление, обнаруженной в этом эксперименте и других исследованиях, становится все более очевидным, что почвенные микробы, особенно в северных широты - и их деятельность нужно отразить в климатических моделях», - сказал он. «Наша работа предоставляет маркеры - виды и гены - которые можно использовать в этом направлении."
В дополнение к уже упомянутым авторам статьи были Джанет К. Хатт из Технологического института Джорджии, Чжили Хе и Лию Ву из Университета Оклахомы, Сюэ Го из Университета Цинхуа, Ици Луо и Эдвард А. Г. Шур из Северной Аризоны. университета, Джеймс М. Тидже из Мичиганского государственного университета и Цзичжун Чжоу из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.