Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2021
Ключевые слова: эмиссия метана, тундра, арктика, антарктика, глобальное потепление, увеличение количества осадков, полевые эксперименты, метагеномный анализ, метаногены, метанотрофы, стабильные изотопы, картирование, прогностические оценки
Аннотация: Для арктической тундры посредством разновременного композитного изображения Sentinel-2 за 2019 и 2020 гг. по максимуму NDVI, выполнено крупномасштабное картографирование района исследований по типам земной поверхности. Для выделенных классов поверхности, по данным BIMASAR2, рассчитаны площадь и запасы надземной биомассы. Согласно RПоказать полностьюLC-2014 TerraNorte, (Bartalev et al., 2013), для тестовой территории по площади и по запасу преобладают классы осоковой (38%), кустарниковой (22%) и крупнобугристой тундры (22%). При дистанционном картографировании некоторые классы (в большей степени болота и осоковые тундры) в пониженных и пойменных участках рельефа имеют сезонную вариацию площади, вызванную периодическим подтоплением. Анализ изображений показал, что на территориях, удаленных более 5-10 км от населенных пунктов и промышленных объектов, значительных антропогенных изменений за период 2017-2021 гг. не фиксируется. Обобщенные и пространственно генерализованные зоны нарушений в районе исследований составляют для 2017 г. – 9800 га и для 2021 г. – 13500 га. Прирост нарушенной площади на 35% в юго-восточном направлении, вероятнее всего, объясняется увеличением площади заболоченной территории, что может быть вызвано прогрессирующей транспортной (дорожной) нагрузкой на экосистемы тундры в этом районе. На доминантных ненарушенных ландшафтных единицах арктической тундры выполнены инструментальные измерения выделений (эмиссии) метана в атмосферу и определены фоновые значения эмиссионных потоков в районе исследований. Отмечено, что средние значения потоков метана с поверхности почвы для района исследований варьируют в диапазоне от 0.1 мкг CH4 м-2 ч-1 до 19.5 мкг CH4 м-2 ч-1. При этом наблюдались как зоны активного выделения, так и поглощения метана, которые определяли средние значения потоков CH4. В целом, все участки наблюдений выступали источниками метана в атмосферу. При этом, максимальными средними значениями эмиссии метана (19.5 мкг CH4 м-2 ч-1) характеризовался участок наиболее увлажненной маршевой тундры, и существенно меньшие значения наблюдались на более сухих участках медальонной и кустарничково-моховой тундры, 4.74 мкг CH4 м-2 ч-1 и 4.24 мкг CH4 м-2 ч-1, соответственно. В свою очередь, участок увлажненной осоковой тундры демонстрируя средние значения эмиссионного потока метана на уровне 0.1 мкг CH4 м-2 ч-1, характеризовался наибольшей среди всех изученных типов тундры интенсивностью поглощения метана – до 15.5 мкг CH4 м-2 ч-1. При внесении осадков на участке осоковой тундры, метанотрофная активность изменялась незначительно (-13.6), но интенсивность выделения метана в атмосферу возрастала многократно, достигая, в среднем значении, 68.3 мкг CH4 м-2 ч-1. Характерная способность осоки быть проводником метана через корневую систему и стебли, позволила выявить наиболее быстрый сигнал выделения метана после внесения осадков. Отмечается и смещение изотопного сигнала δ13C-CH4 для разных участков наблюдений, но диапазон -65 – -78 ‰ δ13C, в целом, свидетельствует об ацетокластическом пути формирования метана микробоценозами на участках наблюдений. Вместе с тем, смещение изотопной подписи δ13C-CH4 в сторону более положительных величин может характеризовать усиление вклада метанотрофных процессов. В нашем случае, некоторым исключением выступает участок кустарничково-моховой тундры (-45‰), где можно предполагать метилотрофный и ацетокластический типы метаногенеза. Для элементарных водосборов небольших водотоков (аквального ландшафта), впадающих в основные протоки дельты р. Лена и характеризующиеся различными особенностями их водосборных территорий, выявлена зависимость между значениями концентрации метана в водотоке и типом ландшафтов исследуемых элементарных водосборов: наибольшие концентрации метана наблюдались в водотоке, на водосборной территории которого преобладали обводненные полигональные структуры, наименьшие – на объектах, расположенных на ледовом комплексе, что, вероятно, в том числе связано с большей мощностью сезонно-талого слоя на данном участке. Предприняты первые шаги для установления направления метаногенеза на примере элементарного водосбора тундрового водотока, что позволит в дальнейшем оценить вклад данного элемента в общий цикл углерода. Кроме того, планируется установить зависимости от контролирующих метаногенез факторов: концентрации органического вещества, его происхождения (аллохтонного, автохтонного), температурного режима, гидрологических и ландшафтных особенностей водотоков. С поверхности образцов мхов и лишайников исследуемых арктических экосистем было выделено три штамма микроорганизмов с доказанной нами в лабораторных экспериментах (при использовании газового анализатора Picarro 2201-i) метанотрофной активностью. Штаммы были изолированы в чистые культуры и исследованы в ЦКП “Геномика” (ИХБФМ СО РАН, г. Новосибирск). Штаммы маркированы как Cetr-1, Sp-H2 и SP-H5. Точная таксономическая идентификация исследуемых микроорганизмов, а также проверка наличия генов, участвующих в метаболизме метана, была выполнена с использованием высокопроизводительного секвенирования с низким покрытием. В результате анализа сборки геномов было показано наличие последовательностей, кодирующих синтез метан-оксигеназы в изоляте Sp-H2. Таксономический анализ по коровым генам показал, что штамм Cetr-1 представляет собой новый вид архей из класса Heimdallarchaeia; штамм Sp-H2 - представитель вида Paraburkholderia phenazinium C (ранее для этого вида наличие метан-оксигеназы показано не было); штамм Sp-H5 – представитель нового вида из бактериального рода Hyphomicrobium. Для более подробного анализа на следующем этапе работы планируется получение полных кольцевых геномов всех трех изолятов, а также проведение биохимических тестов для описания двух новых видов микроорганизмов с последующей публикацией статей, и депонирование штаммов во Всероссийские коллекции микроорганизмов.