Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2023
Ключевые слова: эмиссия метана, тундра, арктика, антарктика, глобальное потепление, увеличение количества осадков, полевые эксперименты, метагеномный анализ, метаногены, метанотрофы, стабильные изотопы, картирование, прогностические оценки
Аннотация: В полевых манипуляционных экспериментах по дождеванию почв антарктической тундры показано, что «память» микробных сообществ почв Protic Arenosols (Turbic) и Skeletic Turbic Cryosols об избыточной влаге зависит от типа почвы. Мы предполагаем, что метанотрофия в данных почвах является доминирующим путем микробного метаболизма метана.Показать полностьюВ то же время, поскольку известно, что в минеральных почвах полуострова Файлдс преобладает гидрогенотрофный путь метаногенеза над ацетокластическим (Thalasso et al., 2022), в некоторых почвах (например, Skeletic Turbic Cryosols), где содержание углерода экстремально низкое, дополнительная влага может формировать анаэробные условия, способствующие развитию гидрогенотрофного метаногенеза. В целом, для данной экосистемы, при возможном увеличении дождей в троекратном объеме, возможность дополнительной эмиссии метана в атмосферу прогнозируется нами как «слабая». В результате проведения полевых манипуляционных экспериментов в арктической тундре был сделан вывод о том, что глееземы мерзлотные криотурбированные, в не зависимости от типа сформировавшегося на них напочвенного покрова (за исключением кустарничково-моховой тундры), в ответ на увеличение количества поступающей влаги будут реагировать всплеском потока метана в атмосферу. В ответ на умеренное и сильное увеличение количества осадков участки открытой почвы (для глееземов мерзлотных криотурбированных) арктической тундры будут служить источником СО2 в атмосферу. При наличии напочвенного покрова дополнительная влага будет способствовать поглощению почвами углекислоты. Получены данные метеоклиматических параметров средней температуры воздуха, а также температуры и влажности почвы арктической и антарктической тундры для участков проведения полевых дождевальных экспериментов. Показано, что среднелетние температуры арктической и антарктической тундры различались в 5 раз (с более высокими показателями в арктической тундре), а среднезимние температуры различались в 8,5 раз (с более низкими температурами в арктической тундре). Влажность почвы в летний период была выше в арктической тундре. Таким образом, более мягкий климат регистрировался в маритимной Антарктике, более резкий климат регистрировался в маритимной Арктике. На полуострове Файлдс (Антарктика) при помощи крупномасштабного картографирования показано, что почвы Skeletic Turbic Cryosols характеризовались более интенсивным поглощением CH4 по сравнению с почвами Protic Arenosols (Turbic) на протяжении всего периода астрального лета. Также отмечено, что способность к поглощению метана почвами варьировала от -119,72 мкг CH4 м-2 ч-1 до -0,71 мкг CH4 м-2 ч-1 и была наибольшей в начале января, постепенно снижаясь к концу марта. При помощи визуализации метагеномной композиции почв исследуемых образцов сопоставлены микробные сообщества почв арктической и антарктической тундры с содержанием C и N в профиле сезонно-талого слоя. Низкое содержание C и N в антарктических грунтах (0,29% С и 0,04% N для Protic Arenosols (Turbic) и 0,12% С и 0,02% N для Skeletic Turbic Cryosols) сопутствовало низкому разнообразию бактерий и архей, которое (разнообразие), однако, увеличивалось вниз по почвенному профилю. В сообществе архей доминировали представители Crenarchaeota (экстремофильные серные анаэробные археи) и Thaumarchaeota (окисляющие аммиак хемолитотрофы). В арктических почвах высокое содержание C и N (1,82 – 4,22 %С; 0,15 – 0,32 %N в глееземах мерзлотных криотурбированных и 0,90 – 1,31 %С; 0,09 – 0,12 %N в криоземах глееватых) сопровождало более высокое разнообразие бактерий, как в верхних, так и в надмерзлотных горизонтах сезонно-талого слоя. Для обеих экосистем подтверждено наличие метанотрофной составляющей в микробных сообществах цикла метана. Несмотря на разницу в длине нуклеотидных последовательностей, оба обнаруженных гена кодируют мембранно-связанные монооксигеназы (pМMO), которые тесно связаны с аммиачно-монооксигеназой (АМО). Следовательно, в полярных экосистемах, в не зависимости от микроклиматических условий и наличия углеродного субстрата, микробные сообщества, потребляющие метан, демонстрируют сходные модели физиологического поведения. Сравнивая две изученные экосистемы, можно сказать, что они различаются как по микроклиматическим параметрам, так и по содержанию углерода и азота в почвах, а также по составу микробных сообществ. В арктической тундре, вследствие более высокого содержания углерода, преобладают метаногенные сообщества ацетокластического пути производства метана (образуют метан из низкоуглеродных соединений). В антарктической тундре в минеральных почвах – с низким содержанием углерода, преобладают гидрогенотрофные метаногены (образуют метан из Н2 и СО2), а в почвах с повышенным содержанием органики (например, орнитопочвы и донные отложения – данные из проведенных нами инкубационных экспериментов, не вошли в отчет) гидрогенотрофные и ацетокластические пути образования метана равноценны. Метанотрофия ярко выражена в обеих исследованных экосистемах. Возможность эмиссии потоков метана в атмосферу из тундровых ландшафтов Антарктики в ответ на увеличение количества осадков оценивается нами как низкая. Потенциальная эмиссия метана из почв Арктики при двукратном увеличении количества дождей оценена нами как высокая. Эмиссия СО2 с поверхности почв арктической тундры в ответ на дождевание будет зависеть от напочвенного покрова, и может представлять из себя как отрицательные, так и положительные потоки.