Микробная доступность органического вещества в донных отложениях арктических озер: лабораторный инкубационный эксперимент

В работе представлены новые данные, касающиеся фундаментального вопроса о скорости преобразования органического вещества, захороненного в вечной мерзлоте, в парниковые газы (CO₂, CH₄ ). Основной задачей являлось определение микробной реакции в ответ на повышение температуры и связанной с этим процессом эмиссии CO₂ и CH₄ из арктических озер. В работе изучались озера, расположенные в дельте реки Лены на острове Самойловский, Россия (72° 22′ с. ш., 126° 28′ в. д.). Были проведены лабораторные анаэробные инкубационные эксперименты донных отложений из трех термокарстовых и трех старичных озер при двух температурных режимах (4 °C и 25 °C). Осадки старичных озер показали сходную динамику эмиссии метана, как при низких (4 °C), так и при высоких температурах (25 °C). В термокарстовых озерах, в экспериментах при низких и высоких температурах, эмиссия метана в отложениях протекала с использованием несхожих метаболических путей. Изотопное смещение углерода в метане указывало на различающийся состав метаногенных/метанотрофных популяций в термокарстовых и старичных озерах. В обоих случаях повышение температуры приводило к увеличению высвобождения метана из донных отложений арктических озер. В сравнении со старичными озерами, термокарстовые озера внесут больший вклад в эмиссию метана. Так, эмиссия метана из термокарстовых озер предположительно увеличится от 6 до 46 раз за счет повышения температуры окружающей среды, а из старичных озер — от 1,8 до 7,6 раз. Согласно результатам данного исследования, в условиях глобального потепления климата и термокарстовые и старичные озера могут стать значимыми источниками поступления метана в атмосферу Земли.

1. Schuur E., Bockheim J., Canadell J.G., Euskirchen E., Field Ch.B, Goryachkin S. V., Hagemann S., Kuhry P., Lafleur P.M., Lee H., Mazhitova G., Nelson F. E., Rinke A., Romanovsky V.E., Shiklomanov N., Tarnocai Ch., Venevsky S., Vogel J. G., Zimov S. A. Vulnerability of permafrost carbon to climate change: implications for the global carbon cycle // BioScience. 2008. V. 58 (8). P. 701–714.

2. Tarnocai C., Canadell J., Schuur E., Kuhry P., Mazhitova G., Zimov S. Soil organic carbon pools in the Northern Circumpolar permafrost region // Global Biogeochem. Cycles. 2009. V. 23. P. 1–11. doi: 10.1029/2008GB003327.

3. Schirrmeister L., Siegert Ch., Kuznetsova Ch., Kuzmina S., Andreev A., Kienast F., Meyer H., Bobrov H. Paleoenvironmental and paleoclimatic records from permafrost deposits in the Arctic region of Northern Siberia // Quaternary International. 2002 V. 89. P. 97–118. doi: 10.1016/S10406182(01)00083-0.

4. Belshe E., Schuur E., Bolker B. Tundra ecosystems observed to be CO 2 sources due to differential amplification of the carbon cycle // Ecology Letter. 2013. V. 16 (10). P. 1307–1315.

5. Boike J., Langer M., Lantuit H., Muster S., Roth K., Sachs T., Overduin P., Westermann S., McGuire A.D. Permafrost-physical aspects, carbon cycling, databases and uncertainties // Recarbonization of the biosphere. Dordrecht: Springer, 2012. P. 159–185.

6. Kutzbach L., Rößger N., Eckhardt T., Knoblauch C., Sachs T., Wille C., Boike J., Pfeiffer E.-M. Spatiotemporal variability of methane emissions of tundra landscapes in the Lena River Delta, Siberia // In EGU General Assembly Conference Abstracts. 2020. P. 17937.

7. Покровский О.С., Широкова Л.С., Кирпотин С.Н. Микробиологические факторы, контролирующие цикл углерода в термокарстовых водных объектах Западной Сибири // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 3 (19). С. 199–217.

8. Адаменко В.Н. Климат и озера: (К оценке настоящего, прошлого и будущего) Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 263 с.

9. Davidson E., Janssens I. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. V. 440. P. 165–173.

10. Wild B., Gentsch N., Čapek P., Diáková K., Alves R. J. E., Bárta J., Gittel A., Hugelius G., Knoltsch A., Kuhry P., Lashchinskiy N., Mikutta R., Palmtag J., Schleper Ch., Schnecker J., Shibistova O., Takriti M., Torsvik V.L., Urich T., Watzka M., Šantrůčková H., Guggenberger G., Richter A. Plant-derived compounds stimulate the decomposition of organic matter in arctic permafrost soils // Sci Rep. 2016. V. 6. P. 1–11.

11. Alekseevsky N.I., Aibulatov D.N., Kuksina L.V., Chetverova A.A. The structure of streams in the Lena Delta and its influence on streamflow transformation processes // Geography and Natural Resources. 2014. V. 35 (1). P. 63–70.

12. Большиянов Д.Ю., Макаров А.С., Шнайдер В., Штоф Г. Происхождение и развитие дельты реки Лены. СПб.: ААНИИ, 2013. 268 с.

13. Schwamborn G., Andreev A.A., Tumskoy V., Rachold V., Grigoriev M.N., Pavlova E.Y., Dorozhkhina M.V., Hubberten H.-W. Evolution of Lake Nikolay, ArgaIsland, western Lena River delta, during late Weichselian and Holocene time // Polarforschung. 2002. V. 70. P. 69–82.

14. Федорова И.В., Четверова А.А, Алексеева Н.К., Скороспехова Т.В., Романов С.Г., Большиянов Д.Ю., Шадрина А.А., Макушин М.А. Гидрологические и гидрохимические исследования в дельте р. Лены весной 2015 и 2016 гг. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2017. T. 3. C. 107–114.

15. Григорьев М.Н. Криоморфогенез устьевой области р. Лены. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1993. 176 с.

16. Morgenstern A., Grosse G., Gunther F., Fedorova I., Schirrmeister L. Spatial analyses of thermokarst lakes and basins in Yedoma landscapes of the Lena Delta // The Cryosphere. 2011. V. 5. P. 849–867. doi: 10.5194/tc-5-849-2011.

17. Boike J., Kattenstroth B., Abramova K., Bornemann N., Chetverova A., Fedorova I., Fröb K., Grigoriev M., Grüber M., Kutzbach L., Langer M., Minke M., Muster S., Piel K., Pfeiffer E.-M., Stoof G., Westermann S., Wischnewski K., Wille C. and Hubberten H.-W. Baseline characteristics of climate, permafrost and land cover from a new permafrost observatory in the Lena River Delta, Siberia (1998–2011) // Biogeosciences. 2013. V.10. P. 2105–2128. doi: 10.5194/bg-10-2105-2013, 2013.

18. Boike J., Nitzbon J., AndersK., Grigoriev M., Bolshiyanov D.Y., Langer M., Lange S., Bornemann N., Morgenstern A., Schreiber P., Wille C., Chadburn S., Gouttevin I., Burke E., and Kutzbach L. A 16year record (2002–2017) of permafrost, active layer, and meteorological conditions at the Samoylov Island Arctic permafrost research site, Lena River Delta, northern Siberia: an opportunity to validate remote sensing data and land surface, snow, and permafrost models // Earth System Science Data Discussions. 2018. V. 11 (1). P. 266–299. doi: 10.5194/essd-2018-82.

19. Zubrzycki S.,Kutzbach L., Grosse G., Desyatkin A. and Pfeiffer E.M. Organic carbon and total nitrogen stocks in soils of the Lena River Delta // Biogeosciences. 2013. V. 10 (6). P. 3507–3524.

20. Четверова А. А., Федорова И. В., Потапова Т. М., Бойке Ю. Гидрологические и геохимические особенности современного состояния озер о. Самойловский в дельте р. Лены // Проблемы Арктики и Антарктики. 2013. Т. 1 (95). C. 97–110.

21. Государственный водный кадастр. Основные гидрологические характеристики (за 1971–1975 гг. и весь период наблюдений). Т. 17. Лено-Индигирский район / Под ред. З.К. Егоровой, А.В. Шестакова. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 295 с.

22. Кравцова В.И. Распространение термокарстовых озер в России в пределах зоны многолетней мерзлоты // Вест. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 3. С. 33–42.

23. Kallistova A.Y., Savvichev A.S., Rusanov I.I., Pimenov N.V. Thermokarst lakes, ecosystems with intense microbial processes of the methane cycle // Microbiology. 2019. V. 88. P. 649–661.

24. Chetverova A., Skorospekhova T., Morgenstern A., Alekseeva N., Spiridonov I., Fedorova I. Hydrological and hydrochemical characteristics of lakes in the Lena River delta (Northeast-Siberia, Russia) // Polarforschung. 2017. V. 87. P. 111–124. doi: 10.2312/polarforschung.87.2.111.

25. Гузева А.В., Федорова И.В. Формы нахождения тяжелых металлов в донных отложениях острова Самойловский, дельта реки Лены // Труды КарНЦ РАН. Сер. Лимнология. Океанология. 2020. № 9. С.18–29. doi: 10.17076/lim1235.

26. Петелин В.П. Гранулометрический анализ донных осадков. М.: Наука, 1967. 128 с.

27. Guzeva A.V., Fedorova I.V., Alekseeva N.K., Evgrafova S. Geochemical features of sediments of the lakes located in the Lena Delta, the Russian Arctic // Focus Siberian Permafrost — Terrestrial Cryosphere and Climate Change: International Symposium, Institute of Soil Science — Universität Hamburg 23–27 March 2020. Abstract / Ed. E.M. Pfeiffer at al. Alfred-Wegener-Institut, 2020. P. 38.

28. Gentsch N., Mikutta R., Alves R., Barta J., Capek P., Gittel A., Hugelius G., Kuhry P., Lashchinskiy N., Palmtag J., Richter A., Santruckova H., Schnecker J., Shibistova O., Urich T., Wild B., Guggenberger G. Storage and transformation of organic matter fractions in cryoturbated permafrost soils across the Siberian Arctic // Biogeosciences Discussions. 2015. V. 12. P. 2697–2743.

29. Baas-Becking L.G.M. Geobiologie of inleiding tot de milieukunde. The Hague, the Netherlands: W.P. Van Stockum & Zoon, 1934. 263 р.

30. Wadham J.L., Arndt S., Tulaczyk S., Stibal M., Tranter M., Telling J., Lis G.P., Lawson E., Ridgwell A., Dubnick A., Sharp M. J., Anesio A. M. and Butler C.E.H. Potential methane reservoirs beneath Antarctica // Nature. 2012. V. 488. P. 633–637. doi: 10.1038/nature11374.

31. Thurber A., Seabrook S., Welsh R. Riddles in the cold: Antarctic endemism and microbial succession impact methane cycling in the Southern Ocean // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 2020. V. 287(1931), P. 20201134. doi:10.1098/rspb.2020.1134.

32. Плеханова Л.Н., Каширская Н.Н., Сыроватко А.С. Активность целлюлозолитических микроорганизмов в грунтах кремированных захоронений как индикатор деталей погребального обряда // Нижневолжский археологический вестник. 2020. Т. 19. № 1. С. 116–129. doi: 15688/nav.jvolsu.2020.1.6.

33. Evgrafova S., Kadutskii V., Novikov O., Guggenberger G., Wagner D. Greenhouse gas release in field-based incubation experiment with buried soil, Lena Delta, Siberia // Focus Siberian Permafrost Terrestrial Cryosphere and Climate Change: International Symposium, Institute of Soil Science Universität Hamburg 23–27 March 2020. Abstract / Ed. E.M. Pfeiffer at al. Alfred-Wegener-Institut, 2020. P. 30. doi:10.2312/BzPM_0739_2020ISSN1866-3192.

34. Kadnikov V.V., Savvichev A.S., Mardanov A.V., Beletsky A.V., Merkel A.Y., Ravin N.V., Pimenov N.V. Microbial communities involved in the methane cycle in the near-bottom water layer and sediments of the meromictic subarctic Lake Svetloe // Antonie Van Leeuwenhoek. 2019. V. 112 (12). P. 1801–1814.