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北极永冻层中有啥微生物?怎会引发大规模碳排放?

编者按:

永冻层目前储存了大约 16,000 亿吨碳,随着全球气温的逐渐升高,这个地球上最大的碳储存库开始逐渐融化。那么其中的细菌和古菌,将会对气体排放产生什么样的影响呢?微生物组学研究正在帮助揭示这一问题的答案。

今天,我们共同关注永冻层中的微生物。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发与帮助。

永冻层中的微生物

五月,瑞典北部的气温逐渐攀升至冰点以上,科学家们将再次前往斯托达林沼泽中松软的泥浆地。他们会步行通过下陷的木板路,并经过一堆堆放置在棉花丛中的透明有机玻璃盒子。

在沼泽短暂的生长季节里,每隔三小时,盒子的盖子就会合上,盒子中会充满从土壤中渗出的甲烷――一种强大的温室气体。15 分钟后,气体将通过迷宫般的管道,吸入至附近的拖车中,用于分析。

与此同时,还有一份更为复杂的工作等着科学家们。他们要将金属芯推入粘稠的泥浆中,然后取出土壤样本,带回实验室,对其中的微生物基因进行测序,来研究产甲烷的微生物。

尽管还有其他研究永冻层微生物的项目,但这个被称为 IsoGenie 的项目,是同类研究中规模最大、运行时间最长的实地研究之一。

“我们通过结合地质化学和微生物生态学的测定结果,来获得新发现,这是来自两个完全不同领域的数据。”Scott Saleska 说。他是亚利桑那大学的生态学家,也是这个项目的联合创始人。

几十年前,斯托达林沼泽被永冻层所覆盖。但如今,由于全球气温的上升,其中大部分已经退化为沼泽和长满青草的湿地,留下了被称为“泥炭丘(palsas)”的隆起土丘,其中的永冻层仍被干燥的泥炭部分所隔绝。

随着冰川的持续融化,科学家们急切地想要记录下冰川内部微生物群落的变化。

在人类历史的大部分时间里,永冻层一直是地球上最大的陆地碳储存库,几个世纪以来,它一直将植物和动物等围困在其冻结层中。它目前储存了大约 16,000 亿吨碳,是大气中碳含量的两倍多。但是由于气温的上升,永冻层正在破裂和消失,引发了巨大的地貌变化。

科学家们越来越担心,冰川融化将为那些会生产二氧化碳和甲烷的细菌和古菌,带来一场史诗级的盛宴。

尽管长期以来,气候模型一直都有考虑到北极永冻层和北极湖泊的碳排放能力,但其中的微生物活动,很大程度上被视为一个黑匣子,而微生物活动会与生态系统的物理特性同步变化,包括温度和湿度。

纽约罗彻斯特理工学院的生物地质化学家 Carmody McCalley 说,这是一个问题。她说:“如果你的模型没有正确的机制,它很可能无法很好地进行预测。”

随着科学家们对于生活在这些环境中的微生物研究的逐步深入,一些发现开始浮出水面。例如,过渡性永冻层环境中的优势微生物,可以对排放的温室气体类型产生影响[1]。北极湖泊深处对气候变化的反应,可能比预期的更敏感,而这取决于栖息在其中的微生物类型[2]。在某些地区,土壤中铁和其他营养物质的可获得性,可能会加速温室气体的产生。

尽管气候变暖改变地貌的具体机制仍是未知数,以及大部分问题(如土壤中病毒的作用等)仍未得到解答,但收集关于微生物的数据,使人们对发生了什么,有了更全面的看法。

俄亥俄州立大学哥伦布分校的微生物学家 Virginia Rich 说:“这让我们看到了它的内在,这是一个紧迫的需求,因为永冻层体系正在我们的眼前融化。”Rich也是IsoGenie项目的联合创始人。

图. 大融化。来源:永冻层 CCI 数据;J. OBU et al. (2020) https://doi.org/ghjkb2

历史悠久

现在有几个研究项目正聚焦于融化的永冻层中的微生物。其中的一些项目,比如由美国国家科学基金会(NSF)资助的阿拉斯加泥浆地实验,正在对类似于斯托达林沼泽这样的富碳土壤环境中的微生物群落进行研究。

另一个大型项目,是由美国能源部资助的“下一代生态系统实验――北极(Next-Generation Ecosystem Experiment - Arctic)”。它正在研究 Utqiagvik(以前的巴罗市)附近、矿物丰富的阿拉斯加北坡地区。

美国陆军在费尔班克斯附近的冰冻山坡上凿出长达 110 米的洞穴,为的就是研究永冻层隧道中的微生物群落如何变化。

其他大规模的研究,比如哥本哈根大学的永冻层研究中心,正在对格陵兰岛、俄罗斯、瑞典和斯瓦尔巴群岛不同地点的土壤,进行宏基因组学分析。

俄罗斯和美国的科学家们,在西伯利亚东北部进行的一项联合研究,正在比较不同年代(从几千年到几百万年前)永冻层土壤样本中的微生物群落。研究人员发现了一片完整的永冻层,其中含有蓝藻和微藻,它们会在永冻层融化后变得活跃[3]。

斯托达林沼泽是北极地区最受关注的研究地点之一,一个多世纪以来,人们收集了有关其温度、土壤和植物群落的详细信息。

Bo Svensson 是瑞典林雪平大学的微生物学家,他是 20 世纪 70 年代开始测量土壤中甲烷排放量的首批研究人员之一。那时,他利用水桶和咖啡罐收集沼气,并经常要花几个小时在沼泽地里,所以必须要从当地萨米人的社区里买来厚厚的焦油驱蚊剂,以驱赶蚊子和黑蝇。

那时候,那里的设施尚未建立,也还没有通电,Svensson 常常不得不背负着塞满样品和其他设备的背包,徒步 10 公里以上,往返于瑞典的阿比斯库科学研究站和采样地之间。

如今,用于测定沼泽的设备已进行了多次更新,Svensson 用过的生锈的咖啡罐,则被陈列在博物馆中以展示过去使用的测定设备,这无疑是一个实实在在的提醒,提醒我们科学到底进步了多少。

他表示:“斯托达林沼泽已经成为了一个国际研究中心。”它的地理位置处于该地区永冻层最先发生融化的地方,因此,在研究气候变化的科学家眼中,它是一个非常有吸引力的研究地点。而电力的普及和上世纪 80 年代修建的一条道路,使研究变得更加便利。

2010 年,IsoGenie 项目的启动,为该研究地点引进了一套新型分子生物学工具。该项目由美国能源部资助,由 Rich 和 Saleska 领导,Rich 开发了用于研究海洋微生物的环境 DNA 取样技术,而 Saleska 则开发了基于激光的痕量气体浓度测定系统。

IsoGenie 项目汇集了来自不同学科的科学家,在过去的十年里,积累了大量的数据。

就在不久前,科学家们还必须在实验室里培养微生物,才能了解更多有关它们的知识,但现在,他们可以从环境样本中取样,并对其中的 DNA 进行测序,利用宏基因组学,来拼凑土壤、海洋、湖泊等地中的微生物群落。

他们不仅可以识别出哪些微生物物种存在于样本中,还可以看出哪些基因是活跃的,这为研究微生物的有效代谢策略和微生物之间的关系,提供了有力的证据。

Rich 估计,她的团队已经从该地区的土壤微生物中收集了 13,000 个基因组。这个群落非常巨大,跨越了整个微生物生命树,其中包含一种新发现的产甲烷古菌和 1.5 万种土壤病毒,科学家认为,这些病毒可以感染生活在该沼泽土壤中的微生物。这个微生物资源宝库,为甲烷的产生,提供了新的视角。

图. 斯托达林沼泽中,用于测定甲烷排放的自动收集系统。

甲烷生产者

第一个重大发现出现在 2014 年,该团队发现,沼泽中不同的景观特征,都具有不同的微生物群落,它们会以不同的速度产生甲烷[1]。例如,在部分融化的沼泽中,大多数微生物通过一种被称为“氢营养型甲烷生成”的过程产生甲烷,在这一过程中,它们消耗二氧化碳和氢。

但在完全融化的沼泽中,微生物群落则变得更加复杂,微生物会通过一种被称为“乙酸裂解型甲烷生成”的过程产生甲烷,在这个过程中,它们消耗乙酸盐和二氧化碳。

Rich 表示,搞清楚这一点很关键,因为这两种过程,对温度和 pH 等环境条件的反应是不同的。

这一发现给科学家们敲响了警钟,因为它意味着,处于融化后期阶段的沼泽地区,可能会因为环境条件的变化,而产生数量不同的甲烷,而在对未来进行预测时,将这一因素纳入预测模型至关重要。

Saleska 说:“我们的研究表明,不同地方产生甲烷的方式不同,这取决于融化的程度,以及栖息在那里的微生物。”

“这真的是一个巨大的进步,”斯德哥尔摩大学的生物地质化学家、IsoGenie 项目的合作者 Patrick Crill 说,“现在,我们可以看到景观和生物地质化学信号之间的联系,这都是‘组学’的功劳。”

“它们能够把微生物和气候模型的各个部分拼凑在一起,这真的很酷。”北亚利桑那大学的生态学家 Ted Shuur 如是说道。

图. IsoGenie 项目的科学家,2018 年在斯托达林沼泽中采集核心样本。

层层深入

接下来,研究团队将注意力转向了北极湖泊。据 Ruth Varner(新罕布什尔大学的生物地质化学家、IsoGenie 项目的合作者)称,目前,预测气候变化的研究,很少关注一个湖的不同区域排放甲烷的差异。

长期以来,人们一直认为,在温暖的季节里,浅水区升温更快,因此产生的甲烷比深水区更多。但这从未被验证过。

通过对斯托达林沼泽中的两个湖泊进行宏基因组学测序,以及对两个湖泊的气体排放量进行测定,Varner 和她的同事发现,这个长期以来的假设,可能需要被修正。

他们的这项研究尚未经过同行评议[2],他们发现,与湖泊浅水中的微生物群落相比,湖泊深处的微生物群落含有更多的产甲烷微生物,它们对气温的升高,也更加敏感。

这意味着,温度的轻微上升,可能会导致甲烷从湖中央深处不成比例的释放。Varner 警告说,如果全球气温继续上升,“我们认为,释放出的甲烷数量,将超过我们的预期”。

去年 9 月,Varner 和 Rich 宣布了他们的下一个项目――一个名为 EMERGE 的项目,意思是“应对变化的紧急生态系统反应(emergent ecosystem response to change)”。

该项目得到了美国国家科学基金会 1250 万美元的资助,聚集了来自 15 个学科的 33 名研究人员,将延续 IsoGenie 项目开始的宏基因组学工作。他们的目标,是深入了解在气候变化的影响下,微生物的进化过程,甚至更进一步,了解病毒在其中发挥的作用。

未来工作的一个部分,是寻找不同的微生物群落与景观特征之间的联系,这些景观特征,比如植物,可以被远程监控。通过建立这些联系,研究人员可以利用卫星技术,绘制出整个北极产甲烷微生物的分布图。

将斯托达林沼泽和北极圈其他几个研究地点的观测结果,与其他地方的永冻层碳储存情况联系起来,并不容易。这些地貌的大小、种类和偏远程度,给科学家们带来了挑战。

事实上,据估计,几乎三分之一的北极研究,都是在阿拉斯加北坡的阿比斯库和 Toolik Lake 的 50 km范围内进行的。

加州门罗公园美国地质勘探局的微生物生态学家 Mark Waldrop,花了十多年的时间,研究阿拉斯加的永冻层,他认为,了解那里的微生物如何在当地和区域范围内发挥作用,是很有价值的,但他指出,当不同北极永冻层地区融化时,栖息着的微生物会发生什么变化,还有许多未知数。

为了克服这种取样偏差,他与美国国家航空航天局(NASA)合作,旨在建立一个大型的泛北极永冻层微生物样本数据库。Waldrop 对此感到非常兴奋,因为可以利用这个数据库,来研究北极未充分采样的地区。

图. 一条横穿瑞典斯托达林沼泽的木板路,在融化的土壤中逐渐下沉。

造模至关重要

另一个挑战是了解永冻层融化时,陆地环境是如何变化的。根据 Waldrop 的说法,一个特定的地点是否会失水,变得干燥开裂,或者被水淹没,都会对其中的微生物群落及其气体排放,产生重大影响。

美国太平洋西北国家实验室的微生物生态学家 Janet Jansson 对此表示赞同,并强调,鉴别栖息在这些不同生态系统中的微生物的独特特征,至关重要。

她认为,有关微生物的知识,将有助于构建未来碳排放的模型。“它们是生产温室气体的小工厂。所以,当然,我们必须要了解这是如何发生的。我们不能无知地说,‘哦,这些气体是以某种方式产生的。’”

Jansson 一直领导着研究团队,对阿拉斯加北坡中一个低洼湖泊遍布地区的微生物群落进行研究。那里的永冻层在冻结和融化的过程中,会开裂和弯曲,形成一种叫做“冰楔多边形”的结构,它由冰、沼泽和湖泊组成。

这种异质性景观,覆盖了该地区约 20%的面积,在过去十年左右的时间里,Jansson 一直在分析宏基因组和气体排放,以了解不同环境中气体排放量的差异。

2015 年,她的宏基因组学工作,让她对微生物如何能在营养贫乏的永冻层中长期生存,有了新的认识[4]。她和她的团队发现了编码铁代谢蛋白质的基因,这表明微生物可以利用矿物质作为能量来源,在恶劣的条件下生存。

这一发现后来被证明是永冻层微生物生存的重要策略[4]。以及去年 12 月,阿比斯库研究站的研究人员发现,如果土壤中存在铁,微生物的解冻和苏醒,实际上会加速二氧化碳的释放[5]。

未来,Jansson 想要研究的是会感染土壤微生物的病毒,并阐明它们在碳反应过程中的作用。有些病毒会杀死宿主,打破微生物群落的平衡。而另一些则可能含有辅助代谢基因,编码相应的蛋白质,从而释放植物中固定的碳。

她说:“一般情况下,病毒不会表现得那么明显,但我们有很多未发表的数据表明,它们可能能做的远不止这些。”

随着北半球气温的上升,科学家们正准备重返北极研究地点。现在的斯托达林沼泽,温度仍滞留在冰点以下,地面上依然覆盖着积雪。但融雪季节即将来临,Rich 和 Varner 期待着可以继续揭开其中微生物的神秘面纱。

参考文献:

1. McCalley, C. K. et al. Nature 514, 478C481 (2014).

2. Emerson, J. B. et al. Preprint at bioRxiv

3. Vishnivetskaya, T. A. et al. FEMS Microbiol. Ecol. 6, fiaa229 (2020).

4. Hultman, J. et al. Nature 521, 208C212 (2015).

5. Patzner, M. S. et al. Nature Commun. 11, 6329 (2020).

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-021-00659-y

作者|Monique Brouillette

编译|Jessica