Микробиология, 2021, T. 90, № 2, стр. 236-242

Сравнительное исследование путей метаногенеза в осадках термокарстовых и полигенетических ямальских озер

А. Ю. Каллистова a*, В. В. Кадников a, А. С. Саввичев a, И. И. Русанов a, Ю. А. Дворников b, М. О. Лейбман c, А. В. Хомутов c, Н. В. Равин a, Н. В. Пименов a

a ФИЦ Биотехнологии РАН
119071 Москва, Россия

b Департамент ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем, Аграрно-технологический институт, РУДН
117198 Москва, Россия

c Институт криосферы Земли, ФИЦ Тюменский научный центр СО РАН
625000 Тюмень, Россия

* E-mail: kallistoanna@mail.ru

Поступила в редакцию 11.11.2020
После доработки 24.11.2020
Принята к публикации 25.11.2020

Аннотация

Проведено сравнительное исследование разнообразия метаногенов и потенциальной активности различных путей метаногенеза в осадках молодых термокарстовых и зрелых полигенетических ямальских озер. Важную роль в образовании метана в термокарстовых озерах играл гидрогенотрофный метаногенез; также выявлены ацетокластический и метилотрофный пути метаногенеза. В полигенетическом озере с содержанием растворенного органического вещества, наиболее близком к термокарстовым озерам, метаногенез протекал более интенсивно, и относительная доля метаногенов, особенно ацетокластических, была выше, чем в термокарстовых озерах; предполагается активность метил-редуцирующих метаногенов. В осадках всех озер выявлены метаногены родов Methanothrix, Methanoregula и представители семейства Methanomassiliicoccaceae. Также детектированы метанокисляющие бактерии (Methylobacter, “Candidatus Methylomirabilis”) и археи (“Ca. Methanoperedens”).

Ключевые слова: вечная мерзлота, термокарстовые озера, метан, метаногенез, метанокисление

DOI: 10.31857/S0026365621020075

Список литературы

  1. равцова В.И. Распространение термокарстовых озер в России // Вестн. Моск. ун-та. Сер. география. 2009. № 3. С. 33–42

  2. Общее мерзлотоведение / Под ред. Кудрявцева В.А. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. 463 с.

  3. Покровский О.С., Широкова Л.С., Кирпотин С.Н. Микробиологические факторы, контролирующие цикл углерода в термокарстовых водных объектах Западной Сибири // Вестн. Томского гос. ун-та. Биология. 2012. № 3(19). С. 199–217.

  4. Ciais P., Sabine C., Bala G., Bopp L., Brovkin V., Canadell J., Chhabra A., DeFries R., Galloway J., Heimann M., Jones C., Le QuéréC., Myneni R.B., Piao S., Thornton P. Carbon and other biogeochemical cycles // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. Stocker T.F., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S.K., Boschung J., NauelsA., Xia Y., Bex V., Midgley P.M. Cambridge: Cambridge University Press, UK, 2013. P. 465–570.

  5. Crevecoeur S., Vincent W.F., Comte J., Matveev A., Lovejoy C. Diversity and potential activity of methanotrophs in high methane-emitting permafrost thaw ponds // PLoS One. 2017. V. 12. e0188223.

  6. de Jong A.E.E., in’t Zandt M.H., Meisel O.H., Jetten M.S.M., Dean J.F., Rasigraf O., Welte C.U. Increases in temperature and nutrient availability positively affect methane-cycling microorganisms in Arctic thermokarst lake sediments // Environ. Microbiol. 2018. V. 20. P. 4314–4327.

  7. Dridi B., Fardeau M.-L., Ollivier B., Raoult D., Drancourt M. Methanomassiliicoccus luminyensis gen. nov., sp. nov., a methanogenic archaeon isolated from human faeces // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2012. V. 62. P. 1902–1907.

  8. He R., Wooller M.J., Pohlman J.W., Quensen J., Tiedje J.M., Leigh M.B. Shifts in identity and activity of methanotrophs in arctic lake sediments in response to temperature changes // Appl. Environ. Microbiol. 2012. V. 78. P. 4715–4723.

  9. Heslop J.K., Walter Anthony K.M., Sepulveda-Jauregui A., Martinez-Cruz K., Bondurant A., Grosse G., Jones M.C. Thermokarst lake methanogenesis along a complete talik profile // Biogeosci. 2015. V. 12. P. 4317–4331.

  10. in ’t Zandt M.H., Frank J., Yilmaz P., Cremers G., Jetten M.S.M., Welte C.U. Long-term enriched methanogenic communities from thermokarst lake sediments show species-specific responses to warming // FEMS Microbes. 2020. xtaa008. https://doi.org/10.1093/femsmc/xtaa008

  11. Kallistova A., Merkel A., Kanapatskiy T., Boltyanskaya Yu., Tarnovetskii I., Perevalova A., Kevbrin V., Samylina O., Pimenov N. Methanogenesis in the Lake Elton saline aquatic system // Extremophiles. 2020. V. 24. P. 657–672.

  12. Martinez-Cruz K., Sepulveda-Jauregui A., Anthony K.W., Thalasso F. Geographic and seasonal variation of dissolved methane and aerobic methane oxidation in Alaskan lakes // Biogeosci. 2015. V. 12. P. 4595–4606.

  13. Martinez-Cruz K., Leewis M.C., Herriott I.C., Sepulveda-Jauregui A., Anthony K.W., Thalasso F., Leigh M.B. Anaerobic oxidation of methane by aerobic methanotrophs in sub-Arctic lake sediments // Sci. Total Environ. 2017. V. 607–608. P. 23–31.

  14. Matheus Carnevali P.B., Rohrssen M., Williams M.R., Michaud A.B., Adams H., Berisford D., Love G.D., Priscu J.C., Rassuchine O., Hand K.P., Murray A.E. Methane sources in arctic thermokarst lake sediments on the North Slope of Alaska // Geobiology. 2015. V. 13. P. 181–197.

  15. Matheus Carnevali P.B., Herbold C.W., Hand K.P., Priscu J.C., Murray A.E. Distinct microbial assemblage structure and archaeal diversity in sediments of Arctic thermokarst lakes differing in methane sources // Front. Microbiol. 2018. V. 9. Art. 1192. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.01192

  16. McAuliffe C.C. GC determination of solutes by multiple phase equilibration // Chem. Technol. 1971. V. 1. P. 46–51.

  17. Negandhi K., Laurion I., Lovejoy C. Bacterial communities and greenhouse gas emissions of shallow ponds in the High Arctic // Polar Biol. 2014. V. 37. P. 1669–1683.

  18. Oliva M., Fritz M. Permafrost degradation on a warmer Earth: Challenges and perspectives // Curr. Opin. Environ. Sci. Health. 2018. V. 5. P. 14–18.

  19. Rissanen A.J., Saarenheimo J., Tiirola M., Peura S., Aalto S.L., Karvinen A., Nykänen H. Gammaproteobacterial methanotrophs dominate methanotrophy in aerobic and anaerobic layers of boreal lake waters // Aquat. Microb. Ecol. 2018. V. 81. P. 257–276.

  20. Savvichev A., Rusanov I., Dvornikov Y., Kadnikov V., Kallistova A., Veslopolova E., Chetverova A., Leibman M., Sigalevich P., Pimenov N., Ravin N., Khomutov A. The water column of the Yamal tundra lakes as a microbial filter preventing methane emission // Biogeosci. Discuss. 2020. В печати. https://doi.org/10.5194/bg-2020-317

  21. Saunois M., Bousquet P., Poulter B., Peregon A., Ciais P., Canadell J.G., Dlugokencky E.J., Etiope G., Bastviken D., Houweling S., Janssens-Maenhout G., Tubiello F.N., Castaldi S., Jackson R.B., Alexe M., Arora V.K., Beerling D.J., Bergamaschi P., Blake D.R., Brailsford G., Brovkin V., Bruhwiler L., Crevoisier C., Crill P., Covey K., Curry C., Frankenberg C., Gedney N., Höglund-Isaksson L., Ishizawa M., Ito A., Joos F., Kim H.-S., Kleinen T., Krummel P., Lamarque J.-F., Langenfelds R., Locatelli R., Machida T., Maksyutov S., McDonald K.C., Marshall J., Melton J.R., Morino I., Naik V., O’Doherty S., Parmentier F.-J.W., Patra P.K., Peng C., Peng S., Peters G.P., Pison I., Prigent C., Prinn R., Ramonet M., Riley W.J., Saito M., Santini M., Schroeder R., Simpson I.J., Spahni R., Steele P., Takizawa A., Thornton B.F., Tian H., Tohjima Y., Viovy N., Voulgarakis A., van Weele M., van der Werf G.R., Weiss R., Wiedinmyer C., Wilton D.J., Wiltshire A., Worthy D., Wunch D., Xu X., Yoshida Y., Zhang B., Zhang Z., Zhu Q. The global methane budget 2000–2012 // Earth. Syst. Sci. Data. 2016. V. 8. P. 697–751.

  22. Serikova S., Pokrovsky O.S., Laudon H., Krickov I.V., Lim A.G., Manasypov R.M., Karlsson J. High carbon emissions from thermokarst lakes of Western Siberia // Nat. Commun. 2019. V. 10. 1552.https://doi.org/10.1038/s41467-019-09592-1

  23. Townsend-Small A., Åkerström F., Arp C.D., Hinkel K.M. Spatial and temporal variation in methane concentrations, fluxes, and sources in lakes in Arctic Alaska // J. Geophys. Res: Biogeosci. 2017. V. 122. P. 2966–2981.

  24. Vonk J.E., Tank S.E., Bowden W.B., Laurion I., Vincent W.F., Alekseychik P., Amyot M., Billet M.F., Canário J., Cory R.M., Deshpande B.N., Helbig M., Jammet M., Karlsson J., Larouche J., MacMillan G., Rautio M., Walter Anthony K.M., Wickland K.P. Reviews and syntheses: Effects of permafrost thaw on Arctic aquatic ecosystems // Biogeosci. 2015. V. 12. P. 7129–7167.

  25. Walter K.M., Smith L.C., Chapin F.S. Methane bubbling from northern lakes: present and future contributions to the global methane budget // Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 2007. V. 365. P. 1657–1676.

  26. Wik M., Varner R.K., Anthony K.W., MacIntyre S., Bastviken D. Climate-sensitive northern lakes and ponds are critical components of methane release // Nat. Geosci. 2016. V. 9. P. 99–105.

  27. Yu Y., Lee C., Kim J., Hwang S. Group-specific primer and probe setsto detect methanogenic communities using quantitative real-time polymerasechain reaction // Biotechnol. Bioeng. 2005. V. 89. P. 670–679.

  28. Zabelina S.A., Shirokova L.S., Klimov S.I., Chupakov A.V., Lim A.G., Polishchuk Y.M., Polishchuk V.Y., Bogdanov A.N., Muratov I.N., Guerin F., Karlsson J., Pokrovsky O.S. Carbon emission from thermokarst lakes in NE European tundra // Limnol. Oceanogr. 2020. https://doi.org/10.1002/lno.11560

Дополнительные материалы отсутствуют.