Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2022
Ключевые слова: эмиссия метана, тундра, арктика, антарктика, глобальное потепление, увеличение количества осадков, полевые эксперименты, метагеномный анализ, метаногены, метанотрофы, стабильные изотопы, картирование, прогностические оценки
Аннотация: В отчетном периоде проведен биохимический и микробиологический анализ почвенных образцов, отобранных в ходе экспедиционных работ, а также лабораторные анаэробные инкубационные эксперименты по потенциальному выделению метана донными осадками озер Арктического и Антарктического регионов. Продолжены полевые манипуляционные экспериментПоказать полностьюы по внесению осадков в почвы исследуемых экосистем, определены фоновые значения эмиссии/поглощения метана почвами полуострова Файлдс и выполнено картирование фоновых эмиссионных потоков СН4 в районах установки систем непрерывного метеорологического мониторинга. С использованием данных литературных источников за период 1991-2021 гг. проведена масштабная оценка эмиссионных потоков метана в экосистемах Арктической и Антарктической тундр. Результаты работ следующие: Исследован химический состав природных вод двух репрезентативных участков, выбранных для полевых исследований по тематике проекта: (1) в «Бухте Медуза» Государственного природного заповедника «Большой Арктический» в районе г.п. Диксон и (2) в оазисе п-ова Файлдс на о. Кинг Джордж, Южные Шетландские острова, в районе Российской антарктической станции Беллинсгаузен. Определены физико-гидрохимические параметры водных объектов и почвенной влаги. Показано, что на формирование химического состава природных вод полярных регионов оказывают влияние атмосферные воды, геологическое строение территории, а также почвенный покров. Наличие многолетней мерзлоты создает условия, при которых поверхностные воды становятся изолированными от подземных. Несмотря на значительную удаленность исследуемых экосистем друг от друга, прослеживаются общие черты химического состава их вод, связанные со схожестью природных условий выбранных ключевых участков, в частности, преимущественное питание атмосферными осадками и близость ключевых участков к морям. Почвенный покров также играет одну из ведущих ролей в формировании химического состава природных вод. Почвы являются основным источником органического вещества, поступающего в полярные водоемы озера. Водные объекты полярных регионов отличаются невысокими концентрациями растворенного органического углерода, что связано с незначительным поступлением или полным отсутствием аллохтонного вещества с водосборной территории. Тем не менее, арктические почвы имеют более значимое воздействие на поверхностные воды, чем почвы Антарктики, в виду более развитого почвенного профиля и больших запасов органического вещества. Исследована структура бактериальных сообществ криогенных почв Typic Aquiturbel тундр Арктического региона исследований и почв Arenosols Soils и Skeletic Turbic Антарктического региона. Сравнительный анализ бактериальных сообществ тундровых почв обоих исследуемых регионов показал, что бактериальное разнообразие в почвах Антарктики было ниже, чем в почвах Арктики, что, возможно связано с географической изоляцией антарктических регионов. Принято считать, что Антарктическое циркумполярное течение существенно ограничивает распространение микроорганизмов по воздуху на антарктический континент (Archer et al., 2019), либо чрезвычайно суровые условия, наблюдаемые только в этих экосистемах, препятствуют успешной колонизации микроорганизмами субстратов, в случае, если микроорганизмы достигают континента (Hibbing et al., 2010). Проведены анаэробные инкубационные эксперименты по выделению метана донными отложениями озер исследуемых регионов при двух температурных режимах (4°C и 25°C). В течение 90 суток при помощи газоанализатора Picarro 2201-i регистрировали выделение CH4 и смещение изотопного состава δ13C(CH4),‰ VPDB. Показано, что потенциальная метаногенная способность была выше в осадках антарктического озера, как при температуре около 4°С, так и при повышении температуры до 25°С, по сравнению с осадками арктических озер. Продукция метана микробными сообществами протекала с использованием ацетокластических путей метаногенеза (значения δ13C в выделяемом метане варьировали от -30‰ до -60‰ VPDB). При этом, практически полное исчерпание доступного для метаногенеза субстрата происходило в течение 6 недель после начала инкубационных экспериментов, как арктическими, так и антарктическими метаногенными сообществами. Таким образом, микробиота стабильно холодных местообитаний продемонстрировала сходные тенденции потенциального выделения метана, но антарктические микробные сообщества были способны более эффективно производить метан, как при низких, так и при повышенных температурах. Измерение фоновой эмиссии метана с поверхности различных ландшафтных единиц полуострова Файлдс проводилось на 20 мониторинговых площадках. За сезон было проведено 5 измерений, с интервалом в 2-3 недели (январь – февраль 2022 г.). Отмечено, что антарктические почвы демонстрировали метан-поглощающую способность на протяжении всего сезона, которая варьировала от -42.04 мкг CH4 м-2 ч-1 до -0.71 мкг CH4 м-2 ч-1 и была наиболее выражена в начале января, постепенно снижаясь к концу февраля. В полевых манипуляционных экспериментах исследован отклик эмиссионных потоков метана из тундровых почв маритимной Антарктики на увеличение количества осадков. Измерения эмиссии/поглощения метана проводились в динамике, при помощи газоанализатора Picarro G4301 для двух типов почв: Protic Arenosols (Turbic) и Skeletic Turbic Cryosols, в течение 3‐х недель, на выделенных площадках: (i) фон; внесение дополнительно дождевой воды в количестве (ii) 5 мм м-2, (iii) 10 мм м-2 и (iv) 15 мм м-2. Показано, что исследованные почвогрунты были хорошо аэрированы, почвы Protic Arenosols (Turbic) находились в равновесном состоянии относительно эмиссии/поглощения метана, почвы Skeletic Turbic Cryosols проявляли выраженную способность к окислению СН4. Внесение дополнительно 90 мм м-2 дождевой влаги не повлияло на способность почв Protic Arenosols (Turbic) окислять метан, но сдвинуло окислительную способность почв Skeletic Turbic Cryosols в сторону эмиссии метана. С использованием данных литературных источников за период 1991-2021 гг. проведена масштабная оценка эмиссионных потоков метана в полярных экосистемах. Проанализированы данные примерно 7 тысяч измерений в арктических и антарктических наземных местообитаниях и выделено 14 типов растительного покрова. Проведенный анализ глобальной зависимости эмиссии метана от типа наземной растительности не выявил значимых различий в величинах потока метана в арктических местообитаниях, однако во всех описанных в литературе антарктических регионах отмечены сведения о поглощении метана почвами, независимо от вида или присутствия напочвенного покрова. В арктических регионах максимальные значения выделения метана связаны с мохово-кустарничково-осоковым типом напочвенного покрова. Информация о ходе работ по проекту размещена на портале https://www.researchgate.net/project/The-release-of-tundra-methane-in-the-wetter-world-bipolar-field-based-study-in-Arctic-and-Antarctic