Stigande temperaturer på tundran på jordens nordliga breddgrader kan påverka mikrobiella samhällen på ett sätt som sannolikt ökar deras produktion av växthusgaser metan och koldioxid, en ny studie av experimentellt uppvärmd Alaskan jord föreslår.

Ungefär hälften av världens totala underjordiska kol lagras i jorden i dessa kyliga, nordliga breddgrader. Det är mer än dubbelt så mycket kol som för närvarande finns i atmosfären som koldioxid, men tills nu har det mesta varit instängt i den mycket kalla jorden. Den nya studien, som förlitade sig på metagenomik för att analysera förändringar i de mikrobiella samhällen som experimentellt värms upp, kan öka oron för hur utsläppet av detta kol kan förvärra klimatförändringen.

"Vi såg att mikrobiella samhällen reagerar ganska snabbt - inom fyra eller fem år - på till och med blygsamma nivåer av uppvärmning, " sa Kostas T. Konstantinidis, tidningens motsvarande författare och professor vid School of Civil and Environmental Engineering och School of Biological Sciences vid Georgia Institute of Technology.

"Mikrobiella arter och deras gener involverade i frisättning av koldioxid och metan ökade deras överflöd som svar på uppvärmningsbehandlingen. Vi blev förvånade över att se ett sådant svar på till och med mild uppvärmning."

Den nya studien stöddes av U.S.A. Department of Energy och National Science Foundation, och rapporterade den 8 juli i tidskriftens tidiga upplaga Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskare från University of Oklahoma, Michigan State University och Northern Arizona University samarbetade med Georgia Tech i studien.

Studien ger kvantitativ information om hur snabbt mikrobiella samhällen reagerade på uppvärmningen på kritiska djup, och belyser de dominerande mikrobiella metabolismerna och grupperna av organismer som svarar på uppvärmningen i tundran. Arbetet understryker vikten av att korrekt representera markmikrobers roll i klimatmodeller.

Forskningen började i september 2008 vid en fuktig, surt tundraområde i det inre av Alaska nära Denali National Park. Sex experimentella block skapades, och i varje block, två snöstängsel byggdes med cirka fem meters mellanrum på vintern för att kontrollera snötäcket. Tjockare snötäcke på vintern fungerade som en isolator, skapa något förhöjda temperaturer - cirka 1,1 grader Celsius (2 grader Fahrenheit) i experimentplotterna.

Förutom temperaturskillnaden, markförhållandena var likartade i försöks- och kontrollytorna. Jordkärnor togs från försöks- och kontrollytorna på två olika djup vid två olika tidpunkter:1,5 år efter att experimentet började, och 4,5 år efter starten.

Mikrobiellt DNA extraherades från kärnorna och sekvenserades med hjälp av Genomics Core vid Georgia Tech.

"Vår analys av de resulterande uppgifterna visade vilka arter som fanns där, i vilka överflöd, vilka arter svarade på uppvärmningen och med hur mycket - och vilka funktioner de hade relaterade till kolanvändning och -utsläpp, sade Eric R. Johnston, nu postdoktor vid Oak Ridge National Laboratory, som genomförde studiens analys som Georgia Tech Ph.D. studerande.

Kärnor från försöks- och kontrollplotterna jämfördes för att bedöma effekterna av uppvärmningen. Kumulativ ekosystemandning togs också prov under månaden efter avlägsnande av kärnorna.

"Det svar vi observerade skilde sig markant mellan de två jorddjupen (15 till 25 centimeter och 45 till 55 centimeter) som provtogs för denna studie, sade Johnston. Närmare bestämt, vid den övre gränsen av det initiala gränsskiktet för permafrost – 45 till 55 centimeter under ytan – ökade den relativa mängden gener involverade i metanproduktion (metanogenes) med uppvärmningen, medan gener inblandade i organisk kolandning - frigörandet av koldioxid - blev rikligare på grundare djup."

Mätning av samhällets andning visade ökningar i hastigheten för koldioxid- och metanutsläpp i tomterna som värmdes upp. "Liknande mätningar har också visat att dessa gaser släpps ut i en högre takt i hela regionen de senaste åren till följd av klimatuppvärmningen, " tillade Johnston.

De två jorddjupen motsvarar ett aktivt lager nära ytan som fryser under vintern men tinar under varmare månader, exponera kolet. De djupare mätningarna undersökte jord strax ovanför permafrosten som bara tinar en kort stund varje år. Dessa variationer skapar grundläggande skillnader i biologi och kemi på de två djupen.

"Vi förväntade oss att observera uppvärmningssvar som skilde sig mellan de två provtagningsdjupen, "Johnston sa. "Pågående upptining av permafrostjord observeras på global skala, så vi var särskilt intresserade av att utvärdera mikrobiologiska svar på upptinande permafrost."

Forskningen belyser vikten av mikrobiella samhällen för att bidra till atmosfärisk metan och koldioxid till klimatförändringar, Konstantinidis sa.

"På grund av den mycket stora mängden kol i dessa system, såväl som den snabba och tydliga reaktionen på uppvärmning som hittades i detta experiment och andra studier, det blir allt tydligare att markmikrober – särskilt de på de nordliga breddgraderna – och deras aktiviteter behöver representeras i klimatmodeller, " sa han. "Vårt arbete ger markörer - arter och gener - som kan användas i den här riktningen."