长期增温实验揭示北极多年冻土微生物群落结构和功能潜力的适应性变化

2021-09-13 发布 shijz

环北极多年冻土碳库储量大、碳密度高,在全球冻土碳反馈过程中扮演非常重要的角色。随着全球变暖,环北极多年冻土正在经历自上而下的渐进消融或者快速的热喀斯特发育。多年冻土退化过程将释放大量的土壤碳,随之被微生物降解并以温室气体形式释放到大气中。已有众多研究关注环北极多年冻土碳排放量及变化趋势,而对多年冻土有机碳的极限排放潜能缺少有效认识,这些极限条件下的情况可为预测模型提供可用的边界条件。

一项为期5年的微型生态池实验(microcosm)研究了厌氧条件下,多年冻土活动层、过渡层和多年冻土层在长期增温实验下(4℃)碳排放速率和微生物群落响应特征。该实验未添加额外养分以期接近极限条件。结果表明,活动层和过渡层碳的排放速率在20—150天达到峰值后逐渐降低,而多年冻土层碳排放速率总体较低但随时间缓慢上升,大约300天系统趋于产甲烷环境(图1)。多年冻土层和过渡层微生物群落结构和功能差异较大,长期培养后拟杆菌(Bacteroidetes)和厚壁菌(Firmicutes)丰度增加明显,产甲烷菌群落相对和绝对(qPCR)丰度下降。碳、氮、硫相关基因簇的丰度总体降低(图2),然而参与纤维素和半纤维素代谢的CAZy族组分增加(图3),表明在易降解有机碳消耗之后的压力促使微生物群落发生适应性变化,增强利用不易降解有机碳的能力,并维持低水平的碳排放。

该成果以 “Effects of a long-term anoxic warming scenario on microbial community structure and functional potential of permafrost-affected soil”为题发表于冻土学专业期刊Permafrost and Periglacial Processes,冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站杨思忠副研究员为论文第一作者和通讯作者。该研究获德国教育科研部、亥姆霍兹基金、中科院百人计划和国家重点研发计划(2020YFA0608501)联合资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ppp.2131

图1. 二氧化碳(a),甲烷(b) 的生产速率,以及二者产率的比值随培养时间的变化(c) 特征。AL:冻土活动层,TL:过渡层;PF:多年冻土层

图2. 长期培养前后在代谢通路水平上的功能组成变化AL:冻土活动层,TL:过渡层;PF:多年冻土层. Carbon cycle (CH4) 包括产甲烷和有氧氧化基因簇。

图3,长期培养后微生物功能谱中与纤维素和半纤维素等不易降解组分相关的CAZy族基因丰度增加

图文:杨思忠           审核:吴通华