環(huán)北極多年凍土的快速退化形成了眾多的熱融湖塘，是全球甲烷氣體的排放熱點。在北極海岸地帶，海洋向沿岸熱融湖塘的侵蝕過程導致熱融湖塘轉(zhuǎn)變?yōu)闊崛跒a湖，并最終將其整合到海底多年凍土中。熱融瀉湖代表了海岸凍土向海底凍土的過渡階段，海水入侵極大地改變了原有熱融湖塘生物地球化學循環(huán)的淡水環(huán)境。目前，對這種較大環(huán)境變遷下，熱融環(huán)境中棲息的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能響應、以及溫室氣體排放方式的轉(zhuǎn)變了解甚少。針對上述問題，冰凍圈科學國家重點實驗室藏北高原冰凍圈特殊環(huán)境與災害國家野外科學觀測研究站楊思忠副研究員和德國地球科學研究中心合作者在西伯利亞北部拜科夫斯基半島（Bykovsky Peninsula）的海岸熱融地貌中開展了一項比較研究。 

　　該研究對采自熱融湖塘和瀉湖的沉積物湖芯樣本從環(huán)境化學、微生物學和溫室氣體等多個方面作了綜合分析，比較了沉積物和孔隙水的理化指標分析、沉積層內(nèi)甲烷氣體濃度和同位素指標，脂質(zhì)生物標志物以及微生物群落結(jié)構(gòu)和功能潛力。研究發(fā)現(xiàn)，海水入侵重塑了熱融瀉湖沉積層的地球化學梯度，在原有淡水環(huán)境上疊加了富含硫酸鹽(sulfate-rich zone)和鹵化物的咸水層，該層內(nèi)孔隙水中CH4濃度顯著低于熱融湖塘，而較重的同位素特征表明發(fā)生了顯著的甲烷氧化(圖1)。微生物群落分析顯示，熱融瀉湖上部的富硫咸水層的甲烷循環(huán)群落明顯有別于淡水環(huán)境。富硫咸水層依賴于硫酸鹽的厭氧甲烷氧化菌(ANME-2a/b)為優(yōu)勢類群(圖2)，參與硫酸鹽異化還原的基因豐度比淡水環(huán)境中高出至少一個數(shù)量級。所有層位中產(chǎn)甲烷群落中的主導類群均來自于甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanomassiliicoccales (圖2)，它們利用H2和非競爭性甲基化合物生產(chǎn)甲烷，所產(chǎn)的CH4同位素貧化。由于有機碳供應充足，這些非競爭性甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌可在富硫環(huán)境中生存。約束性排序分析、方差分解及結(jié)構(gòu)方程模型分析一致表明孔隙水的化學差異是導致群落變化的主要原因。綜合以上結(jié)果，研究用示意圖總結(jié)了從海岸凍土帶熱融湖塘淡水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)闊崛跒a湖的主要功能模塊及甲烷周轉(zhuǎn)途徑的演變特征(圖3)。 

　　該成果以 Microbial methane cycling in sediments of Arctic thermokarst lagoons 為題發(fā)表于中科院一區(qū)TOP期刊Global Change Biology，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院副研究員楊思忠為論文第一作者和通訊作者。該研究獲德國教育科研部、亥姆霍茲基金和中科院聯(lián)合資助。

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圖1 海岸凍土帶三個熱融湖塘湖相沉積層的孔隙水化學特征。 縱軸表示從沉積層表面開始的深度。 其中LG和LNPF為淡水環(huán)境的熱融湖塘，PFL為熱融瀉湖。其沉積層表層分別位于湖面以下 510、560 和 310cm處 

圖2 氣泡圖顯示熱融湖塘(LG 和LNPF)和瀉湖(PFL)中產(chǎn)甲烷古菌（Methanogen），需氧甲烷氧化細菌（MOB）和厭氧甲烷氧化古菌（AOM）的組成特征

圖3 左圖顯示淡水熱融湖泊中甲烷循環(huán)群落和過程的分層分布，右圖顯示在熱融湖泊變成熱融瀉湖后群落和甲烷周轉(zhuǎn)途徑的重組特征。 所有模塊都包含嗜氫甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。 模塊 Module 1 僅存在于瀉湖的富含硫酸鹽的咸水層，由源自海洋的厭氧甲烷氧化古菌（ AOM）為核心組分。 模塊 4 的 AOM 是海洋和湖泊過渡層中常出現(xiàn)的組分。 模塊 2、模塊 3 和模塊 5 在熱融湖塘和瀉湖中均可見，由不同類型的產(chǎn)甲烷菌、需氧甲烷氧化細菌（MOB） 和厭氧甲烷氧化古菌（ AOM） 組成