Ученые, изучающие луга в Оклахоме, обнаружили, что повышение температуры воздуха над почвой на 2 градуса Цельсия приводит к значительным изменениям в микробной экосистеме под землей. По сравнению с контрольной группой, где не было потепления, растения на более теплых участках росли быстрее и выше, что вносило больше углерода в почву по мере того, как растения стареют.
Микробная экосистема отреагировала изменением своей ДНК, чтобы повысить способность справляться с избыточным углеродом.«Из этого исследования мы пришли к выводу, что потепление влияет на почвенную экосистему», — сказал Костас Константинидис, доцент, заведующий кафедрой экологической инженерии им. Карлтона С. Уайлдера в Технологическом институте Джорджии. «Похоже, что микробы генетически изменяются, чтобы воспользоваться предоставленной им возможностью».
Исследование было опубликовано в Интернете 27 декабря 2013 г. в журнале Applied and Environmental Microbiology. Исследование спонсировалось Министерством энергетики и проводилось в сотрудничестве с несколькими университетами, включая Университет Оклахомы.Результаты являются кульминацией 10-летнего исследования, целью которого является понять, как самая сложная экосистема в природе — почва — будет реагировать на изменение климата.
Один грамм почвы является домом для миллиарда бактериальных клеток, представляющих не менее 4000 различных видов. Для сравнения, в кишечнике человека обитает как минимум в 10 раз меньше различных видов бактерий.
По словам Константинидиса, ученые плохо понимают, что делают микробы в почве, как они это делают или как они реагируют на изменения в окружающей среде. Это ограничивает прогностические возможности климатических моделей.«В моделях изменения климата то, что происходит с углеродом в почве, представляет собой черный ящик», — сказал Константинидис. «Одна из причин того, что модели изменения климата имеют такое большое пространство для вариаций, заключается в том, что мы не понимаем микробную деятельность, которая контролирует углерод в почве».Ситуация усложняется тем, что 99,9% микробов в почве нельзя выращивать в лаборатории, поэтому ученые должны изучать их там, где они живут.
Молекулярные и геномные методы для этого являются специальностью лаборатории Константинидиса.Исследователи отправились в полевую лабораторию Kessler Farm в округе Макклейн, штат Оклахома, где они провели исследование на лугопастбищных почвах, которые были заброшены для использования в сельском хозяйстве более 20 лет.
Ученые нагревали участки почвы радиаторами, установленными на высоте нескольких футов над землей в течение 10 лет подряд. Они нагрели эти графики на 2 градуса по Цельсию, что многие климатические модели прогнозируют как повышение глобальной температуры в течение следующих 50 лет.Исследователи взяли образцы растений, измерили содержание углерода и количество микробов в почве и задокументировали любые изменения на теплых участках по сравнению с контрольными участками. Команда также извлекла ДНК из почвы и определила генетический состав и изменения микробов, живущих в ней.
Растения на теплых участках росли все выше и выше. Поскольку в конце сезона растения начали стареть, их более высокая биомасса привела к увеличению содержания углерода в почве. Однако микробные сообщества увеличили скорость дыхания, что преобразовало органический углерод почвы в двуокись углерода (CO2), поэтому общий углерод в теплой и контрольной почвах был одинаковым.Сообщества микробов в теплых почвах за десятилетие эксперимента претерпели значительные изменения, что способствовало их более высокому дыханию.
Например, исследование ДНК микробов показало, что микробные сообщества теплых участков имели больше генов, связанных с углеродным дыханием, чем микробы на контрольных участках.«Это соответствовало идее о том, что весь дополнительный углерод от растений вдыхается и превращается в CO2», — сказал Константинидис. «Мы увидели, что нагретое микробное сообщество более эффективно поглощает почвенный углерод, полученный из растений, и превращает его в СО2».
Исследовательская группа планирует провести аналогичные исследования на других сельскохозяйственных почвах и в более холодных регионах, таких как экосистемы вечной мерзлоты тундры Аляски, где в почве больше органического углерода.«Между растениями и микробами существует сложное взаимодействие, и нам нужно лучше понимать их, чтобы иметь более предсказуемое представление о том, что происходит», — сказал Константинидис. «Это первое исследование, которое пытается сделать это, но мы еще не приблизились к полному пониманию».