Характеристика микробов вечной мерзлоты в условиях меняющегося климата

В борьбе с изменением климата через сокращение глобальных выбросов парниковых газов таяние вечной мерзлоты представляет собой критическую проблему. Эти резервуары замёрзшего органического вещества в арктических почвах являются одним из крупнейших (~1.5 миллиарда тонн) хранилищ углерода на Земле. Одна из главных опасений связана с тем, что при прогнозируемом росте глобальных температур в предстоящие столетия почвы могут оттаять полностью. Это событие способно вызвать высвобождение углерода в форме мощных парниковых газов — диоксида углерода (CO₂) и метана, что станет крупнейшим вкладом в перенос углерода в атмосферу от единого наземного процесса.

Чтобы понять процессы, контролирующие преобразование органического вещества в CO₂ и метан, учёные из Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) применили комплекс молекулярных технологий, известных как «омиксные» подходы. Их исследование, опубликованное 4 марта 2015 года в журнале Nature, было направлено на лучшее понимание микробной активности. Команда, включавшая также специалистов из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и Геологической службы США, изучала состав микробных сообществ и их роль в деградации органического углерода вечной мерзлоты с последующим образованием парниковых газов.

Под руководством микробного эколога Джанет Янссон из PNNL были исследованы три типа почв на Аляске — от полностью оттаявших до полностью замёрзших. Методом метагеномики определили филогению и функциональный генный состав микробных сообществ. Метатранскриптомика позволила выявить экспрессируемые гены, а метапротеомика — определить, какие белки фактически производятся.

Сравнение данных по трём типам почв выявило связь между омиксными данными и путями цикла элементов. В просевшем термокарстовом болоте — терминальной стадии оттаивания — зафиксированы самые высокие скорости образования метана и идентифицированы несколько участвующих в этом процессе микробов, включая три ранее не описанных генома метаногенов.

В деятельном слое (сезонно оттаивающем) обнаружено большее разнообразие микробных видов и наиболее активные гены, вовлечённые в циклы азота, железа и метана. В образцах самой вечной мерзлоты, хотя экспрессия генов и количество белков были ниже, найдены белки, позволяющие микроорганизмам переносить холод, а также белки, связанные с подвижностью и окислением метана. Это указывает на стратегии выживания микробов в замороженном состоянии.

Данная работа развивает более ранние исследования и является частью масштабного проекта «Эксперименты по изучению экосистем следующего поколения в Арктике» (NGEE Arctic) в Барроу, Аляска. Цель проекта — создание модели для более точного прогнозирования эволюции арктических экосистем. Понимание микробных процессов, стоящих за высвобождением парниковых газов, необходимо для улучшения климатических моделей и предсказания экологических последствий.