Stigende tundratemperaturer skaber bekymrende ændringer i mikrobielle samfund

Stigende temperaturer i tundraen på jordens nordlige breddegrader kan påvirke mikrobielle samfund på måder, der sandsynligvis vil øge deres produktion af drivhusgasser metan og kuldioxid, en ny undersøgelse af eksperimentelt opvarmet Alaska jord antyder.

Omkring halvdelen af ​​verdens samlede underjordiske kulstof er lagret i jorden i disse kølige, nordlige breddegrader. Det er mere end det dobbelte af mængden af ​​kulstof, der i øjeblikket findes i atmosfæren som kuldioxid, men indtil nu har det meste været indespærret i den meget kolde jord. Den nye undersøgelse, som var afhængig af metagenomics til at analysere ændringer i de mikrobielle samfund, der eksperimentelt opvarmes, kunne øge bekymringen om, hvordan frigivelsen af ​​dette kulstof kan forværre klimaændringerne.

"Vi så, at mikrobielle samfund reagerer ret hurtigt - inden for fire eller fem år - på selv beskedne niveauer af opvarmning, " sagde Kostas T. Konstantinidis, avisens tilsvarende forfatter og professor ved School of Civil and Environmental Engineering og School of Biological Sciences ved Georgia Institute of Technology.

"Mikrobielle arter og deres gener involveret i kuldioxid- og metanfrigivelse øgede deres overflod som reaktion på opvarmningsbehandlingen. Vi var overraskede over at se en sådan reaktion på selv mild opvarmning."

Den nye undersøgelse blev støttet af det amerikanske energiministerium og National Science Foundation, og rapporterede den 8. juli i den tidlige udgave af tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskere fra University of Oklahoma, Michigan State University og Northern Arizona University samarbejdede med Georgia Tech om undersøgelsen.

Undersøgelsen giver kvantitativ information om, hvor hurtigt mikrobielle samfund reagerede på opvarmningen på kritiske dybder, og fremhæver de dominerende mikrobielle metabolisme og grupper af organismer, der reagerer på opvarmning i tundraen. Arbejdet understreger vigtigheden af ​​præcist at repræsentere jordmikrobernes rolle i klimamodeller.

Forskningen begyndte i september 2008 ved en fugtig, surt tundraområde i det indre af Alaska nær Denali National Park. Seks eksperimentelle blokke blev skabt, og i hver blok, to snehegn blev bygget omkring fem meter fra hinanden om vinteren for at kontrollere snedække. Tykkere snedække om vinteren tjente som en isolator, skabe let forhøjede temperaturer - omkring 1,1 grader Celsius (2 grader Fahrenheit) i forsøgsplottene.

Bortset fra temperaturforskellen, jordforholdene var ens i forsøgs- og kontrolparcellerne. Jordkerner blev taget fra forsøgs- og kontrolplotterne i to forskellige dybder på to forskellige tidspunkter:1,5 år efter forsøgets begyndelse, og 4,5 år efter starten.

Mikrobielt DNA blev ekstraheret fra kernerne og sekventeret under anvendelse af Genomics Core ved Georgia Tech.

"Vores analyse af de resulterende data viste, hvilke arter der var der, i hvilken overflod, hvilke arter reagerede på opvarmning og med hvor meget - og hvilke funktioner de havde i forbindelse med kulstofforbrug og -frigivelse, " sagde Eric R. Johnston, nu postdoc-forsker ved Oak Ridge National Laboratory, der udførte undersøgelsens analyse som Georgia Tech Ph.D. studerende.

Kerner fra forsøgs- og kontrolplot blev sammenlignet for at vurdere virkningerne af opvarmningen. Der blev også taget prøver af kumulativ økosystemrespiration i løbet af måneden efter fjernelse af kernerne.

"Det svar, vi observerede, adskilte sig markant mellem de to jorddybder (15 til 25 centimeter og 45 til 55 centimeter), der blev udtaget til denne undersøgelse, sagde Johnston. ved den øvre grænse af det indledende permafrost-grænselag - 45 til 55 centimeter under overfladen - steg den relative overflod af gener involveret i metanproduktion (methanogenese) med opvarmning, mens gener involveret i organisk kulstofrespiration - frigivelsen af ​​kuldioxid - blev mere rigeligt på lavere dybder."

Måling af samfundets respiration viste stigninger i hastigheden af ​​kuldioxid- og metanfrigivelse i de opvarmede arealer. Lignende målinger har også vist, at disse gasser bliver frigivet i højere grad i hele regionen i de senere år som følge af klimaopvarmningen, " tilføjede Johnston.

De to jorddybder svarer til et aktivt lag nær overfladen, der fryser om vinteren, men tøer op i de varmere måneder, udsætte kulstoffet. De dybere målinger undersøgte jord lige over permafrosten, der kun tøer op i kort tid hvert år. Disse variationer skaber grundlæggende forskelle i biologi og kemi i de to dybder.

"Vi forventede at observere opvarmningsreaktioner, der var forskellige mellem de to prøvetagningsdybder, " sagde Johnston. "Igangværende optøning af permafrostjord bliver observeret på global skala, så vi var særligt interesserede i at evaluere mikrobiologiske reaktioner på optøning af permafrost."

Forskningen fremhæver betydningen af ​​mikrobielle samfund i at bidrage til atmosfærisk metan og kuldioxid til klimaændringer, sagde Konstantinidis.

"På grund af den meget store mængde kulstof i disse systemer, såvel som den hurtige og klare reaktion på opvarmning fundet i dette eksperiment og andre undersøgelser, det bliver mere og mere klart, at jordmikrober - især dem på de nordlige breddegrader - og deres aktiviteter skal repræsenteres i klimamodeller, " sagde han. "Vores arbejde giver markører - arter og gener - som kan bruges i denne retning."