Метаболические и трофические взаимодействия определяют интенсивность продуцирования метана арктической микробиотой торфяников в ответ на потепление
Metabolic and trophic interactions modulate methane production by Arctic peat microbiota in response to warming. Alexander Tøsdal Tveit, Tim Urich, Peter Frenzel, Mette Marianne Svenning. PNAS. 2015. Vol. 112. No 19. E2507–E2516.
Арктические вечномерзлые почвы заключают в себе огромные запасы органического углерода. Ключевую роль в процессах высвобождения этого органического почвенного углерода из бескислородных торфяных почв играют метаногенные микроорганизмы. Согласно прогнозам климатических моделей, температуры у поверхности Земли в Арктике вырастет на 2-11 °С в зимний период и на 1-6 °С – летом. Ясно, что по мере роста глобальных температур выделение метана (СН4) – одного из важнейших парниковых газов – в арктических регионах будет только увеличиваться, однако как при этом будет меняться механизм микробиологического разложения почвенного углерода и какие организмы будут играть ведущую роль в этом процессе, до конца не ясно. В бескислородных условиях торфяников растительные полимеры разлагаются в результате многоэтапного процесса гидролиза и ферментации, в котором участвуют, как минимум, четыре различных типа микроорганизмов – первичные и вторичные ферментеры, а также две группы метаногенов. Авторы изучили процесс выделения метана микробиотой арктических торфяников в бескислородной среде при температурном градиенте от 1 до 30 °С с помощью методов метатранскриптомного, метагеномного и целевого метаболического профилирования, выявив критические температуры, при которых происходят резкие изменения в анаэробных метаболических процессах разложения углерода. Обнаружилось, что при температуре 4 °С уровень продуктивности СН4 составил 25% от аналогичного показателя при 25 °С. По мере повышения температуры наблюдался быстрый рост продуктивности, связанный с изменениями структуры микробного сообщества, нарушением метаболической сети почвенного органического углерода и трофическими взаимодействиями. При температурах ниже 7 °С фактором, ограничивающим биогенную продуктивность метана, является синтрофическое пропионовокислое окисление. Выше этого температурного барьера таким фактором становится гидролиз полисахаридов. Подобная смена процессов связана со смещением биогенной активности по мере роста температур от фирмикут (Firmicutes) к анаэрбным грамотрицательным бактериям Bacteroidetes. Также при потеплении наблюдается смена формиат- и водородпотребляющих Methanobacteriales метаногенными археями Methanomicrobiales, а ацетотрофные Methanosarcinaceae сменяются на Methanosaetaceae. Метаногенезис на основе метиламинов, являющийся, скорее всего, следствием деградации клеток бактерий, усиливается с ростом температур, сопровождаясь увеличением количества хищных простейших из царства Cercozoa. Авторы делают вывод о том, что микробиота арктических торфяников быстро реагирует на рост температуры среды. Эта реакция выражается в метаболических и трофических взаимодействиях при сохранении общей высокой продуктивности метана. Адаптация микробного сообщества при этом происходит в виде смены видов, а каскадный эффект доступности субстрата определяет функциональные изменения внутри микробиоты. Данная работа является первым температурно-градиентным исследованием арктических торфяных почв, проведенным с использованием интегрированных омических технологий.
В.В. Стрекопытов