北极海岸冻土带热融湖塘和泻湖中参与甲烷循环微生物群落生态特征研究获进展
发表日期:2023-05-26来源：
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环北极多年冻土的快速退化形成了众多的热融湖塘，是全球甲烷气体排放研究的热点。在北极海岸地带，海洋向沿岸热融湖塘的侵蚀过程导致热融湖塘转变为热融泻湖，并最终将其整合到海底多年冻土中。热融泻湖代表了海岸冻土向海底冻土的过渡阶段，海水入侵极大地改变了原有热融湖塘生物地球化学循环的淡水环境。目前，对这种较大环境变迁下，热融环境中栖息的微生物群落结构和功能响应、以及温室气体排放方式的转变了解甚少。针对上述问题，冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站杨思忠副研究员和德国地球科学研究中心合作者在西伯利亚北部拜科夫斯基半岛（Bykovsky Peninsula）的海岸热融地貌中开展了一项比较研究。
该研究对采自热融湖塘和泻湖的沉积物湖芯样本从环境化学、微生物学和温室气体等多个方面作了综合分析，比较了沉积物和孔隙水的理化指标分析、沉积层内甲烷气体浓度和同位素指标，脂质生物标志物以及微生物群落结构和功能潜力。研究发现，海水入侵重塑了热融泻湖沉积层的地球化学梯度，在原有淡水环境上叠加了富含硫酸盐(sulfate-rich zone)和卤化物的咸水层，该层内孔隙水中CH4浓度显著低于热融湖塘，而较重的同位素特征表明发生了显著的甲烷氧化(图1)。微生物群落分析显示，热融泻湖上部的富硫咸水层的甲烷循环群落明显有别于淡水环境。富硫咸水层依赖于硫酸盐的厌氧甲烷氧化菌(ANME-2a/b)为优势类群(图2)，参与硫酸盐异化还原的基因丰度比淡水环境中高出至少一个数量级。所有层位中产甲烷群落中的主导类群均来自于甲基营养型产甲烷菌Methanomassiliicoccales (图2)，它们利用H2和非竞争性甲基化合物生产甲烷，所产的CH4同位素贫化。由于有机碳供应充足，这些非竞争性甲基营养型产甲烷菌可在富硫环境中生存。约束性排序分析、方差分解及结构方程模型分析一致表明孔隙水的化学差异是导致群落变化的主要原因。综合以上结果，研究用示意图总结了从海岸冻土带热融湖塘淡水环境转变为热融泻湖的主要功能模块及甲烷周转途径的演变特征(图3)。
该成果以 Microbial methane cycling in sediments of Arctic thermokarst lagoons 为题发表于中科院一区TOP期刊Global Change Biology，中国科学院西北生态环境资源研究院副研究员杨思忠为论文第一作者和通讯作者。该研究获德国教育科研部、亥姆霍兹基金和中科院联合资助。
图1 海岸冻土带三个热融湖塘湖相沉积层的孔隙水化学特征。 纵轴表示从沉积层表面开始的深度。 其中LG和LNPF为淡水环境的热融湖塘，PFL为热融泻湖。其沉积层表层分别位于湖面以下 510、560 和 310cm处
图2 气泡图显示热融湖塘(LG 和LNPF)和泻湖(PFL)中产甲烷古菌（Methanogen），需氧甲烷氧化细菌（MOB）和厌氧甲烷氧化古菌（AOM）的组成特征
图3 左图显示淡水热融湖泊中甲烷循环群落和过程的分层分布，右图显示在热融湖泊变成热融泻湖后群落和甲烷周转途径的重组特征。 所有模块都包含嗜氢甲基营养型产甲烷菌。 模块 Module 1 仅存在于泻湖的富含硫酸盐的咸水层，由源自海洋的厌氧甲烷氧化古菌（ AOM）为核心组分。 模块 4 的 AOM 是海洋和湖泊过渡层中常出现的组分。 模块 2、模块 3 和模块 5 在热融湖塘和泻湖中均可见，由不同类型的产甲烷菌、需氧甲烷氧化细菌（MOB） 和厌氧甲烷氧化古菌（ AOM） 组成
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