Stijgende temperaturen in de toendra van de noordelijke breedtegraden van de aarde zouden microbiële gemeenschappen kunnen beïnvloeden op manieren die waarschijnlijk hun productie van broeikasgassen methaan en koolstofdioxide zullen verhogen, suggereert een nieuwe studie van experimenteel opgewarmde bodem in Alaska.

Ongeveer de helft van 's werelds totale ondergrondse koolstof wordt opgeslagen in de bodem van deze ijskoude, noordelijke breedtegraden. Dat is meer dan het dubbele van de hoeveelheid koolstof die momenteel in de atmosfeer wordt aangetroffen als koolstofdioxide, maar tot nu toe is het meeste opgesloten in de zeer koude grond. De nieuwe studie, die op metagenomica vertrouwde om veranderingen te analyseren in de microbiële gemeenschappen die experimenteel werden opgewarmd, zou de bezorgdheid kunnen vergroten over hoe het vrijkomen van deze koolstof de klimaatverandering kan verergeren.

"We zagen dat microbiële gemeenschappen vrij snel reageren - binnen vier of vijf jaar - op zelfs bescheiden niveaus van opwarming, " zei Kostas T. Konstantinidis, de corresponderende auteur van het artikel en een professor aan de School of Civil and Environmental Engineering en de School of Biological Sciences van het Georgia Institute of Technology.

"Microbiële soorten en hun genen die betrokken zijn bij het vrijkomen van kooldioxide en methaan verhoogden hun overvloed als reactie op de opwarmingsbehandeling. We waren verrast om zo'n reactie te zien op zelfs een milde opwarming."

De nieuwe studie werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation, en meldde 8 juli in de vroege editie van het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences . Onderzoekers van de Universiteit van Oklahoma, Michigan State University en Northern Arizona University werkten samen met Georgia Tech aan het onderzoek.

De studie levert kwantitatieve informatie over hoe snel microbiële gemeenschappen reageerden op de opwarming op kritieke diepten, en benadrukt de dominante microbiële stofwisseling en groepen organismen die reageren op de opwarming in de toendra. Het werk onderstreept het belang van een nauwkeurige weergave van de rol van bodemmicroben in klimaatmodellen.

Het onderzoek begon in september 2008 bij een vochtige, zure toendra-gebied in het binnenland van Alaska in de buurt van Denali National Park. Er zijn zes experimentele blokken gemaakt, en in elk blok, In de winter werden twee sneeuwhekken gebouwd op ongeveer vijf meter van elkaar om de sneeuwbedekking te beheersen. Dikkere sneeuwbedekking in de winter diende als isolator, het creëren van licht verhoogde temperaturen - ongeveer 1,1 graden Celsius (2 graden Fahrenheit) in de experimentele percelen.

Behalve het temperatuurverschil, de bodemgesteldheid was vergelijkbaar in de experimentele en controleplots. Bodemkernen werden genomen van de experimentele en controleplots op twee verschillende diepten op twee verschillende tijdstippen:1,5 jaar nadat het experiment begon, en 4,5 jaar na de start.

Microbieel DNA werd uit de kernen geëxtraheerd en gesequenced met behulp van de Genomics Core bij Georgia Tech.

"Onze analyse van de resulterende gegevens liet zien welke soorten er waren, in welke overvloed, welke soorten reageerden op opwarming en met hoeveel - en welke functies ze bezaten met betrekking tot het gebruik en vrijkomen van koolstof, " zei Eric R. Johnston, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Oak Ridge National Laboratory, die de analyse van het onderzoek uitvoerde als een Georgia Tech Ph.D. student.

Kernen van de experimentele en controleplots werden vergeleken om de effecten van de opwarming te beoordelen. Cumulatieve ecosysteemademhaling werd ook bemonsterd in de maand na verwijdering van de kernen.

"De respons die we waarnamen verschilde aanzienlijk tussen de twee bodemdieptes (15 tot 25 centimeter en 45 tot 55 centimeter) die voor dit onderzoek werden bemonsterd, "zei Johnston. "Specifiek, aan de bovengrens van de initiële permafrostgrenslaag - 45 tot 55 centimeter onder het oppervlak - nam de relatieve overvloed aan genen die betrokken zijn bij de methaanproductie (methanogenese) toe met opwarming, terwijl genen die betrokken zijn bij de ademhaling van organische koolstof - het vrijkomen van koolstofdioxide - overvloediger werden op ondiepere diepten."

Meting van de gemeenschapsademhaling toonde een toename van de snelheid van kooldioxide- en methaanafgifte in de percelen die werden opgewarmd. "Vergelijkbare metingen hebben ook aangetoond dat deze gassen de afgelopen jaren in de hele regio in een groter tempo vrijkomen als gevolg van klimaatopwarming, " voegde Johnston toe.

De twee bodemdiepten komen overeen met een actieve laag nabij het oppervlak die in de winter bevriest maar ontdooit tijdens de warmere maanden, het blootstellen van de koolstof. De diepere metingen onderzochten de bodem net boven de permafrost die slechts een korte tijd per jaar ontdooit. Deze variaties creëren fundamentele verschillen in de biologie en chemie op de twee diepten.

"We verwachtten opwarmingsreacties te zien die verschilden tussen de twee bemonsteringsdiepten, Johnston zei. "Op wereldschaal wordt een aanhoudende dooi van permafrostgrond waargenomen, dus we waren vooral geïnteresseerd in het evalueren van microbiologische reacties op het ontdooien van permafrost."

Het onderzoek benadrukt het belang van microbiële gemeenschappen bij het bijdragen van methaan en koolstofdioxide in de lucht aan klimaatverandering, zei Konstantinidis.

"Vanwege de zeer grote hoeveelheid koolstof in deze systemen, evenals de snelle en duidelijke reactie op opwarming gevonden in dit experiment en andere studies, het wordt steeds duidelijker dat bodemmicroben - vooral die op de noordelijke breedtegraden - en hun activiteiten moeten worden weergegeven in klimaatmodellen, " zei hij. "Ons werk levert markers - soorten en genen - die in deze richting kunnen worden gebruikt."