解冻永久冻土的宏基因组分析揭示了在突发解冻模拟过程中碳循环与氮循环之间的关联

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Metagenomic Analysis of Thawing Permafrost Highlights Links Between Carbon and Nitrogen Cycling Processes in Abrupt Thaw Simulation

快速冻土融化导致微生物群落结构显著变化，激活反硝化和硫酸盐还原等碳氮循环关键途径，抑制甲烷生成，可能与融水改善电子受体条件有关。

　　

摘要

预计突然的永久冻土融化事件将导致高达40%的永久冻土碳（C）释放到大气中。这些事件涉及土壤柱内的突然水文变化；然而，这些变化所引发的具体微生物功能途径仍不清楚。为了研究不同融化情景下碳和养分循环过程的区别，我们在一项初步研究中对土壤和水样进行了宏基因组分析（每个深度组和处理组重复两次），研究对象包括完整的土壤柱（高度为1米的生态箱）在实验性融化后的样本，以及单独培养的土壤层（120毫升试管）。微生物群落结构的响应受到深度的显著影响，在“突然”处理条件下，永久冻土层内的功能途径发生了较大变化。在“突然”和“渐进”融化情况下，大多数碳循环途径保持相似，而反硝化和硫酸盐功能途径在“突然”处理条件下得到了促进。这可能是由于融化水为反硝化等代谢途径提供了更有利于能量的最终电子受体，从而抑制了导致甲烷产生的碳降解末端阶段。这一点得到了“突然”融化模拟下甲烷产量减少90%的数据支持。这项关于“突然”和“渐进”融化模拟的初步研究强调了突然融化通过改变氧化还原条件可能增强碳-氮相互作用的潜力。预计在永久冻土变暖的地区，突然融化事件将会增加，我们的研究结果为理解低地永久冻土土壤在碳和养分循环中的紧密相互作用提供了新的视角。

通俗语言总结

帕尔萨斯（Palsas）是一种面积较小但土壤碳含量丰富的永久冻土泥炭地，它可能缓慢转变为湿地（渐进过程），也可能迅速塌陷形成热喀斯特池塘（突然过程）。目前尚不完全清楚微生物对这两种变化的水文变化的响应机制。我们在实验室模拟了突然和渐进的融化过程，并从培养后的土壤中取了样本。我们发现，微生物群落主要在永久冻土层中发生了响应。根据之前的实验，我们知道在“突然”融化情况下二氧化碳排放量增加，而在“渐进”融化情况下甲烷排放量可以忽略不计。通过比较微生物的功能潜力，我们能够确定之前观察到的二氧化碳和甲烷模式背后的微生物类型。这些发现有助于更好地理解永久冻土在未来融化后对温室效应和全球碳循环的影响，也为未来的研究方向提供了方向。

关键点

• 仅在永久冻土层中，微生物群落结构在突然融化模拟下发生了显著变化

• 参与碳循环的功能途径在“渐进”和“突然”融化模拟下保持不变，甲烷生成过程除外

• 与氮循环的相互作用限制了导致甲烷产生的碳循环末端步骤

利益冲突

作者声明与本研究无关的利益冲突。

数据可用性声明

宏基因组原始数据已存放在欧洲核苷酸档案库（ENA），项目编号为PRJEB85523。该项目生成的相关数据存档在PANGAEA数据库中。土壤数据可参考Laurent等人（2023a）和Baysinger等人（2023a）的研究；培养数据可参考Laurent等人（2023b）和Baysinger等人（2023b）的研究。