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北極永凍層中有啥微生物?怎會引發大規模碳排放?

2021-03-30 00:00:00健康

編者按:

永凍層目前儲存了大約 16,000 億噸碳,隨著全球氣溫的逐漸升高,這個地球上最大的碳儲存庫開始逐漸融化。那麼其中的細菌和古菌,將會對氣體排放產生什麼樣的影響呢?微生物組學研究正在幫助揭示這一問題的答案。

今天,我們共同關注永凍層中的微生物。希望本文能夠為相關的產業人士和諸位讀者帶來一些啟發與幫助。

永凍層中的微生物

五月,瑞典北部的氣溫逐漸攀升至冰點以上,科學家們將再次前往斯托達林沼澤中鬆軟的泥漿地。他們會步行透過下陷的木板路,並經過一堆堆放置在棉花叢中的透明有機玻璃盒子。

在沼澤短暫的生長季節裡,每隔三小時,盒子的蓋子就會合上,盒子中會充滿從土壤中滲出的甲烷——一種強大的溫室氣體。15 分鐘後,氣體將透過迷宮般的管道,吸入至附近的拖車中,用於分析。

與此同時,還有一份更為複雜的工作等著科學家們。他們要將金屬芯推入粘稠的泥漿中,然後取出土壤樣本,帶回實驗室,對其中的微生物基因進行測序,來研究產甲烷的微生物。

儘管還有其他研究永凍層微生物的專案,但這個被稱為 IsoGenie 的專案,是同類研究中規模最大、執行時間最長的實地研究之一。

「我們透過結合地質化學和微生物生態學的測定結果,來獲得新發現,這是來自兩個完全不同領域的資料。」Scott Saleska 說。他是亞利桑那大學的生態學家,也是這個專案的聯合創始人。

幾十年前,斯托達林沼澤被永凍層所覆蓋。但如今,由於全球氣溫的上升,其中大部分已經退化為沼澤和長滿青草的溼地,留下了被稱為「泥炭丘(palsas)」的隆起土丘,其中的永凍層仍被幹燥的泥炭部分所隔絕。

隨著冰川的持續融化,科學家們急切地想要記錄下冰川內部微生物群落的變化。

在人類歷史的大部分時間裡,永凍層一直是地球上最大的陸地碳儲存庫,幾個世紀以來,它一直將植物和動物等圍困在其凍結層中。它目前儲存了大約 16,000 億噸碳,是大氣中碳含量的兩倍多。但是由於氣溫的上升,永凍層正在破裂和消失,引發了巨大的地貌變化。

科學家們越來越擔心,冰川融化將為那些會生產二氧化碳和甲烷的細菌和古菌,帶來一場史詩級的盛宴。

儘管長期以來,氣候模型一直都有考慮到北極永凍層和北極湖泊的碳排放能力,但其中的微生物活動,很大程度上被視為一個黑匣子,而微生物活動會與生態系統的物理特性同步變化,包括溫度和溼度。

紐約羅徹斯特理工學院的生物地質化學家 Carmody McCalley 說,這是一個問題。她說:「如果你的模型沒有正確的機制,它很可能無法很好地進行預測。」

隨著科學家們對於生活在這些環境中的微生物研究的逐步深入,一些發現開始浮出水面。例如,過渡性永凍層環境中的優勢微生物,可以對排放的溫室氣體型別產生影響[1]。北極湖泊深處對氣候變化的反應,可能比預期的更敏感,而這取決於棲息在其中的微生物型別[2]。在某些地區,土壤中鐵和其他營養物質的可獲得性,可能會加速溫室氣體的產生。

儘管氣候變暖改變地貌的具體機制仍是未知數,以及大部分問題(如土壤中病毒的作用等)仍未得到解答,但收集關於微生物的資料,使人們對發生了什麼,有了更全面的看法。

俄亥俄州立大學哥倫布分校的微生物學家 Virginia Rich 說:「這讓我們看到了它的內在,這是一個緊迫的需求,因為永凍層體系正在我們的眼前融化。」Rich也是IsoGenie專案的聯合創始人。

圖. 大融化。來源:永凍層 CCI 資料;J. OBU et al. (2020) https://doi.org/ghjkb2

歷史悠久

現在有幾個研究專案正聚焦於融化的永凍層中的微生物。其中的一些專案,比如由美國國家科學基金會(NSF)資助的阿拉斯加泥漿地實驗,正在對類似於斯托達林沼澤這樣的富碳土壤環境中的微生物群落進行研究。

另一個大型專案,是由美國能源部資助的「下一代生態系統實驗——北極(Next-Generation Ecosystem Experiment - Arctic)」。它正在研究 Utqiagvik(以前的巴羅市)附近、礦物豐富的阿拉斯加北坡地區。

美國陸軍在費爾班克斯附近的冰凍山坡上鑿出長達 110 米的洞穴,為的就是研究永凍層隧道中的微生物群落如何變化。

其他大規模的研究,比如哥本哈根大學的永凍層研究中心,正在對格陵蘭島、俄羅斯、瑞典和斯瓦爾巴群島不同地點的土壤,進行宏基因組學分析。

俄羅斯和美國的科學家們,在西伯利亞東北部進行的一項聯合研究,正在比較不同年代(從幾千年到幾百萬年前)永凍層土壤樣本中的微生物群落。研究人員發現了一片完整的永凍層,其中含有藍藻和微藻,它們會在永凍層融化後變得活躍[3]。

斯托達林沼澤是北極地區最受關注的研究地點之一,一個多世紀以來,人們收集了有關其溫度、土壤和植物群落的詳細資訊。

Bo Svensson 是瑞典林雪平大學的微生物學家,他是 20 世紀 70 年代開始測量土壤中甲烷排放量的首批研究人員之一。那時,他利用水桶和咖啡罐收集沼氣,並經常要花幾個小時在沼澤地裡,所以必須要從當地薩米人的社群裡買來厚厚的焦油驅蚊劑,以驅趕蚊子和黑蠅。

那時候,那裡的設施尚未建立,也還沒有通電,Svensson 常常不得不揹負著塞滿樣品和其他裝置的揹包,徒步 10 公里以上,往返於瑞典的阿比斯庫科學研究站和取樣地之間。

如今,用於測定沼澤的裝置已進行了多次更新,Svensson 用過的生鏽的咖啡罐,則被陳列在博物館中以展示過去使用的測定裝置,這無疑是一個實實在在的提醒,提醒我們科學到底進步了多少。

他表示:「斯托達林沼澤已經成為了一個國際研究中心。」它的地理位置處於該地區永凍層最先發生融化的地方,因此,在研究氣候變化的科學家眼中,它是一個非常有吸引力的研究地點。而電力的普及和上世紀 80 年代修建的一條道路,使研究變得更加便利。

2010 年,IsoGenie 專案的啟動,為該研究地點引進了一套新型分子生物學工具。該專案由美國能源部資助,由 Rich 和 Saleska 領導,Rich 開發了用於研究海洋微生物的環境 DNA 取樣技術,而 Saleska 則開發了基於鐳射的痕量氣體濃度測定系統。

IsoGenie 專案彙集了來自不同學科的科學家,在過去的十年裡,積累了大量的資料。

就在不久前,科學家們還必須在實驗室裡培養微生物,才能瞭解更多有關它們的知識,但現在,他們可以從環境樣本中取樣,並對其中的 DNA 進行測序,利用宏基因組學,來拼湊土壤、海洋、湖泊等地中的微生物群落。

他們不僅可以識別出哪些微生物物種存在於樣本中,還可以看出哪些基因是活躍的,這為研究微生物的有效代謝策略和微生物之間的關係,提供了有力的證據。

Rich 估計,她的團隊已經從該地區的土壤微生物中收集了 13,000 個基因組。這個群落非常巨大,跨越了整個微生物生命樹,其中包含一種新發現的產甲烷古菌和 1.5 萬種土壤病毒,科學家認為,這些病毒可以感染生活在該沼澤土壤中的微生物。這個微生物資源寶庫,為甲烷的產生,提供了新的視角。

圖. 斯托達林沼澤中,用於測定甲烷排放的自動收集系統。

甲烷生產者

第一個重大發現出現在 2014 年,該團隊發現,沼澤中不同的景觀特徵,都具有不同的微生物群落,它們會以不同的速度產生甲烷[1]。例如,在部分融化的沼澤中,大多數微生物透過一種被稱為「氫營養型甲烷生成」的過程產生甲烷,在這一過程中,它們消耗二氧化碳和氫。

但在完全融化的沼澤中,微生物群落則變得更加複雜,微生物會透過一種被稱為「乙酸裂解型甲烷生成」的過程產生甲烷,在這個過程中,它們消耗乙酸鹽和二氧化碳。

Rich 表示,搞清楚這一點很關鍵,因為這兩種過程,對溫度和 pH 等環境條件的反應是不同的。

這一發現給科學家們敲響了警鐘,因為它意味著,處於融化後期階段的沼澤地區,可能會因為環境條件的變化,而產生數量不同的甲烷,而在對未來進行預測時,將這一因素納入預測模型至關重要。

Saleska 說:「我們的研究表明,不同地方產生甲烷的方式不同,這取決於融化的程度,以及棲息在那裡的微生物。」

「這真的是一個巨大的進步,」斯德哥爾摩大學的生物地質化學家、IsoGenie 專案的合作者 Patrick Crill 說,「現在,我們可以看到景觀和生物地質化學訊號之間的聯絡,這都是‘組學’的功勞。」

「它們能夠把微生物和氣候模型的各個部分拼湊在一起,這真的很酷。」北亞利桑那大學的生態學家 Ted Shuur 如是說道。

圖. IsoGenie 專案的科學家,2018 年在斯托達林沼澤中採集核心樣本。

層層深入

接下來,研究團隊將注意力轉向了北極湖泊。據 Ruth Varner(新罕布什爾大學的生物地質化學家、IsoGenie 專案的合作者)稱,目前,預測氣候變化的研究,很少關注一個湖的不同區域排放甲烷的差異。

長期以來,人們一直認為,在溫暖的季節裡,淺水區升溫更快,因此產生的甲烷比深水區更多。但這從未被驗證過。

透過對斯托達林沼澤中的兩個湖泊進行宏基因組學測序,以及對兩個湖泊的氣體排放量進行測定,Varner 和她的同事發現,這個長期以來的假設,可能需要被修正。

他們的這項研究尚未經過同行評議[2],他們發現,與湖泊淺水中的微生物群落相比,湖泊深處的微生物群落含有更多的產甲烷微生物,它們對氣溫的升高,也更加敏感。

這意味著,溫度的輕微上升,可能會導致甲烷從湖中央深處不成比例的釋放。Varner 警告說,如果全球氣溫繼續上升,「我們認為,釋放出的甲烷數量,將超過我們的預期」。

去年 9 月,Varner 和 Rich 宣佈了他們的下一個專案——一個名為 EMERGE 的專案,意思是「應對變化的緊急生態系統反應(emergent ecosystem response to change)」。

該專案得到了美國國家科學基金會 1250 萬美元的資助,聚集了來自 15 個學科的 33 名研究人員,將延續 IsoGenie 專案開始的宏基因組學工作。他們的目標,是深入瞭解在氣候變化的影響下,微生物的進化過程,甚至更進一步,瞭解病毒在其中發揮的作用。

未來工作的一個部分,是尋找不同的微生物群落與景觀特徵之間的聯絡,這些景觀特徵,比如植物,可以被遠端監控。透過建立這些聯絡,研究人員可以利用衛星技術,繪製出整個北極產甲烷微生物的分佈圖。

將斯托達林沼澤和北極圈其他幾個研究地點的觀測結果,與其他地方的永凍層碳儲存情況聯絡起來,並不容易。這些地貌的大小、種類和偏遠端度,給科學家們帶來了挑戰。

事實上,據估計,幾乎三分之一的北極研究,都是在阿拉斯加北坡的阿比斯庫和 Toolik Lake 的 50 km範圍內進行的。

加州門羅公園美國地質勘探局的微生物生態學家 Mark Waldrop,花了十多年的時間,研究阿拉斯加的永凍層,他認為,瞭解那裡的微生物如何在當地和區域範圍內發揮作用,是很有價值的,但他指出,當不同北極永凍層地區融化時,棲息著的微生物會發生什麼變化,還有許多未知數。

為了克服這種取樣偏差,他與美國國家航空航天局(NASA)合作,旨在建立一個大型的泛北極永凍層微生物樣本資料庫。Waldrop 對此感到非常興奮,因為可以利用這個資料庫,來研究北極未充分取樣的地區。

圖. 一條橫穿瑞典斯托達林沼澤的木板路,在融化的土壤中逐漸下沉。

造模至關重要

另一個挑戰是瞭解永凍層融化時,陸地環境是如何變化的。根據 Waldrop 的說法,一個特定的地點是否會失水,變得乾燥開裂,或者被水淹沒,都會對其中的微生物群落及其氣體排放,產生重大影響。

美國太平洋西北國家實驗室的微生物生態學家 Janet Jansson 對此表示贊同,並強調,鑑別棲息在這些不同生態系統中的微生物的獨特特徵,至關重要。

她認為,有關微生物的知識,將有助於構建未來碳排放的模型。「它們是生產溫室氣體的小工廠。所以,當然,我們必須要了解這是如何發生的。我們不能無知地說,‘哦,這些氣體是以某種方式產生的。’」

Jansson 一直領導著研究團隊,對阿拉斯加北坡中一個低窪湖泊遍佈地區的微生物群落進行研究。那裡的永凍層在凍結和融化的過程中,會開裂和彎曲,形成一種叫做「冰楔多邊形」的結構,它由冰、沼澤和湖泊組成。

這種異質性景觀,覆蓋了該地區約 20%的面積,在過去十年左右的時間裡,Jansson 一直在分析宏基因組和氣體排放,以瞭解不同環境中氣體排放量的差異。

2015 年,她的宏基因組學工作,讓她對微生物如何能在營養貧乏的永凍層中長期生存,有了新的認識[4]。她和她的團隊發現了編碼鐵代謝蛋白質的基因,這表明微生物可以利用礦物質作為能量來源,在惡劣的條件下生存。

這一發現後來被證明是永凍層微生物生存的重要策略[4]。以及去年 12 月,阿比斯庫研究站的研究人員發現,如果土壤中存在鐵,微生物的解凍和甦醒,實際上會加速二氧化碳的釋放[5]。

未來,Jansson 想要研究的是會感染土壤微生物的病毒,並闡明它們在碳反應過程中的作用。有些病毒會殺死宿主,打破微生物群落的平衡。而另一些則可能含有輔助代謝基因,編碼相應的蛋白質,從而釋放植物中固定的碳。

她說:「一般情況下,病毒不會表現得那麼明顯,但我們有很多未發表的資料表明,它們可能能做的遠不止這些。」

隨著北半球氣溫的上升,科學家們正準備重返北極研究地點。現在的斯托達林沼澤,溫度仍滯留在冰點以下,地面上依然覆蓋著積雪。但融雪季節即將來臨,Rich 和 Varner 期待著可以繼續揭開其中微生物的神秘面紗。

參考文獻:

1. McCalley, C. K. et al. Nature 514, 478–481 (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, 208–212 (2015).

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

原文連結:https://www.nature.com/articles/d41586-021-00659-y

作者|Monique Brouillette

編譯|Jessica