凍土帶熱融湖塘參與甲烷循環微生物群落生態特征研究

環北極多年凍土的快速退化形成了眾多的熱融湖塘，是全球甲烷氣體排放研究的熱點。在北極海岸地帶，海洋向沿岸熱融湖塘的侵蝕過程導致熱融湖塘轉變為熱融瀉湖，并最終將其整合到海底多年凍土中。熱融瀉湖代表了海岸凍土向海底凍土的過渡階段，海水入侵極大地改變了原有熱融湖塘生物地球化學循環的淡水環境。目前，對這種較大環境變遷下，熱融環境中棲息的微生物群落結構和功能響應、以及溫室氣體排放方式的轉變了解甚少。針對上述問題，冰凍圈科學國家重點實驗室藏北高原冰凍圈特殊環境與災害國家野外科學觀測研究站副研究員楊思忠和德國地球科學研究中心合作者在西伯利亞北部拜科夫斯基半島（Bykovsky Peninsula）的海岸熱融地貌中開展了比較研究。

研究人員從環境化學、微生物學和溫室氣體等多個方面，對采自熱融湖塘和瀉湖的沉積物湖芯樣本作了綜合分析，比較了沉積物和孔隙水的理化指標分析、沉積層內甲烷氣體濃度和同位素指標，脂質生物標志物以及微生物群落結構和功能潛力。研究發現，海水入侵重塑了熱融瀉湖沉積層的地球化學梯度，在原有淡水環境上疊加了富含硫酸鹽（sulfate-rich zone）和鹵化物的咸水層，該層內孔隙水中甲烷濃度顯著低于熱融湖塘，而較重的同位素特征表明發生了顯著的甲烷氧化。微生物群落分析顯示，熱融瀉湖上部的富硫咸水層的甲烷循環群落明顯有別于淡水環境。富硫咸水層依賴于硫酸鹽的厭氧甲烷氧化菌（ANME-2a/b）為優勢類群（圖2），參與硫酸鹽異化還原的基因豐度比淡水環境中高出至少一個數量級。所有層位中產甲烷群落中的主導類群均來自于甲基營養型產甲烷菌Methanomassiliicoccales，它們利用氫氣和非競爭性甲基化合物生產甲烷，所產的甲烷同位素貧化。由于有機碳供應充足，這些非競爭性甲基營養型產甲烷菌可在富硫環境中生存。約束性排序分析、方差分解及結構方程模型分析一致表明孔隙水的化學差異是導致群落變化的主要原因。綜合以上結果，研究用示意圖總結了從海岸凍土帶熱融湖塘淡水環境轉變為熱融瀉湖的主要功能模塊及甲烷周轉途徑的演變特征。

相關研究成果以 Microbial methane cycling in sediments of Arctic thermokarst lagoons為題發表在《全球變化生物學》（Global Change Biology）上。研究工作得到德國教育科研部、德國亥姆霍茲聯合會基金和中國科學院的支持。