Archaea, Bacteria, and methane production along environmental gradients in fens and bogs

Abstract

Metanogeenit ovat hapettomissa oloissa eläviä arkkien pääryhmään kuuluvia mikrobeja, joiden ainutlaatuisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyy metaania. Ilmakehässä metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Yksi suurimmista luonnon metaanilähteistä ovat kosteikot. Pohjoisten soiden metaanipäästöt vaihtelevat voimakkaasti eri soiden välillä ja yhden suon sisälläkin, riippuen muun muassa vuodenajasta, suotyypistä ja kasvillisuudesta. Väitöskirjatyössä tutkittiin metaanipäästöjen vaihtelun mikrobiologista taustaa.

Tutkimuksessa selvitettiin suotyypin, vuodenajan, tuhkalannoituksen ja turvesyvyyden vaikutusta metanogeeniyhteisöihin sekä metaanintuottoon kolmella suomalaisella suolla. Lisäksi tutkittiin ei-metanogeenisia arkkeja ja bakteereita, koska ne muodostavat metaanin tuoton lähtöaineet osana hapetonta hajotusta. Mikrobiyhteisöt analysoitiin DNA- ja RNA-lähtöisillä, polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvilla menetelmillä. Merkkigeeneinä käytettiin metaanin tuottoon liittyvää mcrA-geeniä sekä arkkien ja bakteerien ribosomaalista 16S RNA-geeniä.

Metanogeeniyhteisöt ja metaanintuotto erosivat huomattavasti happaman ja vähäravinteisen rahkasuon sekä ravinteikkaampien sarasoiden välillä. Rahkasuolta löytyi lähes yksinomaan Methanomicrobiales-lahkon metanogeeneja, jotka tuottavat metaania vedystä ja hiilidioksidista. Sarasoiden metanogeeniyhteisöt olivat monimuotoisempia, ja niillä esiintyi myös asetaattia käyttäviä metanogeeneja. Vuodenaika vaikutti merkittävästi metaanintuottoon. Talvella havaittiin odottamattoman suuri metaanintuottopotentiaali sekä viitteitä aktiivisista metanogeeneista. Arkkiyhteisön koostumus sen sijaan vaihteli vain vähän. Tuhkalannoitus, jonka tarkoituksena on edistää puiden kasvua ojitetuilla soilla, ei merkittävästi vaikuttanut metaanintuottoon tai -tuottajiin. Ojitetun suon yhteisöt kuitenkin muuttuivat turvesyvyyden mukaan. Vertailtaessa erilaisia PCR-menetelmiä todettiin, että kolmella mcrA-geeniin kohdistuvalla alukeparilla havaittiin pääosin samat ojitetun suon metanogeenit, mutta lajien runsaussuhteet riippuvat käytetyistä alukkeista. Soilla havaitut bakteerit kuuluivat pääjaksoihin Deltaproteobacteria, Acidobacteria ja Verrucomicrobia. Lisäksi löydettiin Crenarchaeota-pääjakson ryhmiin 1.1c ja 1.3 kuuluvia ei-metanogeenisia arkkeja. Tulokset ryhmien esiintymisestä hapettomassa turpeessa antavat lähtökohdan selvittää niiden mahdollisia vuorovaikutuksia metanogeenien kanssa.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metanogeeniyhteisön koostumus heijastaa metaanintuottoon vaikuttavia kemiallisia tai kasvillisuuden vaihteluita kuten suotyyppiä. Soiden metanogeenien ja niiden fysiologian parempi tuntemus voi auttaa ennustamaan ympäristömuutosten vaikutusta soiden metaanipäästöihin.

Methanogens are anaerobic Archaea with unique energy metabolism resulting in production of methane (CH4). In the atmosphere methane is an effective greenhouse gas. The largest natural sources of atmospheric methane are wetlands, including peat-forming mires. Methane emissions vary greatly between and within mires, depending on season and hydrological and botanical characteristics. The aim of this work was to elucidate the microbiology underlying the variation.

Methanogens and potential methane production were assessed along spatial and temporal gradients of ecohydrology, season, ash fertilization, and peat depth in three Finnish boreal mires. Non-methanogenic Archaea and Bacteria were additionally addressed as potential substrate producers and competitors to methanogens. Characterization of microbial communities targeted the mcrA gene, essential in methane production, and archaeal or bacterial 16S ribosomal RNA gene. The communities were differentiated by analysis of clone libraries, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) fingerprinting.

Methanogen communities and methane production changed markedly along an ecohydrological gradient from fen to bog, with changing vegetation and pH. The most acidic Sphagnum bog showed mainly Methanomicrobiales-associated, hydrogenotrophic Fen cluster methanogens, whereas the oligotrophic and mesotrophic fens with higher pH and sedge coverage had more diverse communities including acetoclastic methanogens. Season had a minor effect on the archaeal community in an acidic oligotrophic fen, but the temporal variation of methane production potential was substantial. Winter potential was unexpectedly high, and active methanogens were detected in winter peat. Ash fertilization, a forestry practice for promoting tree growth, had no substantial effects on methane production or methanogen communities in a drained bog, but the communities changed with peat depth. Comparison of three mcrA primer sets revealed that their coverage of methanogens from the drained bog was similar, but the quantitative representations of communities were primer-dependent. Bacterial and non-methanogenic archaeal groups detected in mires included Deltaproteobacteria, Acidobacteria, Verrucomicrobia, and Crenarchaeota of groups 1.1c and 1.3. Their detection forms a starting point for further studies to distinguish possible interactions with methanogens.

Overall, the results indicate that methanogen community composition reflects chemical or botanical gradients that affect methane production, such as mire hydrology. Predictions of methane production in the spatially heterogeneous mires could thus benefit from characterization of methanogens and their ecophysiology.