Aerobic carbon-cycle related microbial communities in boreal peatlands: responses to water-level drawdown

Abstract

Boreal peatlands represent a considerable portion of the global carbon (C) pool. Water-level drawdown (WLD) causes peatland drying and induces a vegetation change, which affects the decomposition of soil organic matter and the release of greenhouse gases (CO2 and CH4). The objective of this thesis was to study the microbial communities related to the C cycle and their response to WLD in two boreal peatlands.

Both sampling depth and site type had a strong impact on all microbial communities. In general, bacteria dominated the deeper layers of the nutrient-rich fen and the wettest surfaces of the nutrient-poor bog sites, whereas fungi seemed more abundant in the drier surfaces of the bog. WLD clearly affected the microbial communities but the effect was dependent on site type. The fungal and methane-oxidizing bacteria (MOB) community composition changed at all sites but the actinobacterial community response was apparent only in the fen after WLD. Microbial communities became more similar among sites after long-term WLD. Litter quality had a large impact on community composition, whereas the effects of site type and WLD were relatively minor. The decomposition rate of fresh organic matter was influenced slightly by actinobacteria, but not at all by fungi.

Field respiration measurements in the northern fen indicated that WLD accelerates the decomposition of soil organic matter. In addition, a correlation between activity and certain fungal sequences indicated that community composition affects the decomposition of older organic matter in deeper peat layers. WLD had a negative impact on CH4 oxidation, especially in the oligotrophic fen. Fungal sequences were matched to taxa capable of utilizing a broad range of substrates. Most of the actinobacterial sequences could not be matched to characterized taxa in reference databases.

This thesis represents the first investigation of microbial communities and their response to WLD among a variety of boreal peatland habitats. The results indicate that microbial community responses to WLD are complex but dependent on peatland type, litter quality, depth, and variable among microbes.

Ilmaston lämpeneminen tai maankäytön muutos, kuten metsäojitus, laskevat suon vedenpinnantasoa aiheuttaen suon kuivumisen. Tämä voi lisätä hiilen kiertoon osallistuvien mikrobien toimintaa, minkä seurauksena suon turpeeseen sitoutunut hiili vapautuu kasvihuonekaasuina ilmakehään. Kuivuminen muuttaa suon kasvillisuutta, joka muodostaa turvetta. Kuivumisen voi näkyä myös suon mikrobiyhteisössä, joka on vastuussa turpeen orgaanisen aineen hajotuksesta. Tutkimus selvitti erilaisten boreaalisten suotyyppien mikrobiyhteisöjen rakennetta ja niiden herkkyyttä suon kuivumiselle.

Tutkimus toteutettiin kahdella tutkimussuolla, joista keski-Suomessa sijaitseva Lakkasuo sisälsi kolme ravinteisuudeltaan erilaista suotyyppiä. Luonnontilaisten soiden lisäksi tutkittiin näiden ojitettuja muuntumatyyppejä. Näistä toinen oli perustettu lyhyen aikavälin ilmastonmuutosten vaikutusten tutkimiseen ja toinen soveltui hyvin pitkän aikavälin kuivumisen vaikutusten tutkimiseen, koska se edusti 1960-luvulla ojitettua suometsää. Toinen tutkimussuon, pohjoinen Suonukkasuon, soveltui hyvin tutkimukseen, koska sen vedenpinnantason laskun voimakkuus pohjaveden oton seurauksena vastasi hyvin arvioita ilmastonmuutoksen vaikutuksesta.

Turvenäytteiden kokonaismikrobiyhteisöt tunnistettiin fosfolipirasvahappomenetelmin. Metanotrofi-, sieni- ja aktinobakteeriyhteisöjä tutkittiin molekyylibiologisin menetelmin. Kaksivuotisen karikepussikokeen avulla tutkittiin aktiivisia mikrobiyhteisöjä. Mikrobiaktiivisuus määritettiin hiilidioksidin tuottona ja metaanin kulutuksena.

Tutkimus osoitti kuivumisen muuttavan suon mikrobiyhteisöä ja erityisesti sieniyhteisöä. Muutos näkyi jo lyhyen aikaa kestäneen kuivumisen jälkeen ja voimistui pitkään jatkuneen kuivumisen seurauksena. Aktinobakteerit vaikuttivat kestävän paremmin kuivumista, ja se näytti reagoivan voimakkaammin johonkin turpeen syvyyteen vaikuttavaan tekijään. Eri suotyyppien mikrobiyhteisöt muuttuivat samankaltaisemmiksi pitkään jatkuneen kuivumisen jälkeen. Myös turpeen syvyys ja suotyyppi vaikuttivat turpeen mikrobiyhteisöön.

Karikkeen laatu ja maatumisaste vaikuttivat suotyyppiä tai kuivumista enemmän aktiiviseen mikrobiyhteisöön. Tunnistetut sienisekvenssit edustivat laajaa sienten joukkoa, kun taas suurin osa aktinobakteerisekvensseistä ei ollut läheistä sukua tunnetuille aktinobakteereille. Aktiivisuusmittaukset osoittavat ilmaston lämpenemisen kiihdyttävän orgaanisen aineen hajotusta.

Havaitut mikrobiyhteisön muutokset eivät ole suoraviivaisia vaan vaikeasti tulkittavia. Muutosta arvioitaessa on huomioitava tarkasteltava suotyyppi, turpeen syvyys, karikkeen ja turpeen laatu sekä tutkittava mikrobiryhmä.