Sphagnum-associated methanotrophs – a resilient CH4 biofilter in pristine and disturbed peatlands

Visa fullständig post

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-651-594-9
Titel: Sphagnum-associated methanotrophs – a resilient CH4 biofilter in pristine and disturbed peatlands
Author: Putkinen, Anuliina
Medarbetare: Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten, biovetenskapliga institutionen
Nivå: Doktorsavhandling (sammanläggning)
Abstrakt: Boreal peatlands are highly important sinks for carbon (C). This function is enabled largely by one peat-forming plant, the Sphagnum moss. In addition to slowing the decomposition by gradually creating ombrotrophic conditions, it gives a shelter for the organisms mitigating the emissions of methane (CH4) – an effective greenhouse gas formed in submerged, anoxic peat layers. These organisms, methane oxidizing bacteria (methanotrophs, MOB), inhabit the dead, water-filled hyaline cells of the Sphagnum and provide the plant carbon dioxide (CO2) derived from the CH4 oxidation. While several studies have confirmed the presence of Sphagnum-associated methanotrophs (SAM), it is still unclear how dependent they are on the mosses and how environmental conditions affect their community composition and activity. This thesis evaluated SAM dynamics in the different stages of peatland development on both pristine and disturbed areas. Studies were based mainly on molecular methods, targeting the MOB-specific pmoA gene, and laboratory incubations, including stable isotope probing. In the first study, the connection between the SAM and the mosses was assessed by testing whether the SAM will disperse through the water phase. This trait, considered to represent a facultative symbiosis, was demonstrated in two experiments. In the field, mosses inactive in CH4 oxidation were transplanted next to active ones. Within a month, SAM communities of the neighboring mosses become more similar. The water-based colonization was further confirmed by bathing inactive mosses in flark pore water that showed high CH4 oxidation activity. Within just 11 h, activity was induced and the SAM abundance significantly increased in the treated mosses. The other two studies revealed similar SAM community composition patterns on a pristine chronosequence and on a gradient of re-vegetating cutover peatlands. Instead of the Sphagnum species, the general environmental conditions seemed to control the SAM community composition. Different types of SAM seemed to have their preferred environmental niches, with the type Ia MOB present and active especially in the young succession stages and the type II MOB in the older, hydrologically more stable stages. Despite the community differences, the potential CH4 oxidation did not differ along the gradients, suggesting functional redundancy. Only some drier bog samples did not show any detectable CH4 oxidation, demonstrating the regulatory role of the water table level on the SAM activity. The peat layers of the cutover gradient showed similar MOB community patterns but the potential CH4 oxidation increased with succession. The ability to disperse through the water provides a recovery mechanism from disturbances such as droughts, which are predicted to increase with climate warming. In addition, the diversity and functional redundancy of the SAM communities enhance the resilience of this important CH4 biofilter formed by the living Sphagnum mosses. The potential SAM activity in the mosses of the youngest cutover site promotes the Sphagnum transplantation practice as a tool to not only enhance the re-vegetation process, but also to mitigate the CH4 emissions formed in the rewetting and restoration of disturbed peatlands.Pohjoiset suot ovat tärkeitä hiilen nieluja sitoessaan sitä hitaasti kertyviin turvekerroksiin. Samalla ne vapauttavat kasvihuonekaasu metaania (CH4), jota syntyy kasvimateriaalin hajotessa hapettomissa oloissa. Näiden soiden yleisin kasvi, rahkasammal (Sphagnum), on oleellinen paitsi turpeen kertymiselle, myös metaanipäästöjen torjunnalle: Se tarjoaa asuinympäristön metaania hapettaville bakteereille, metanotrofeille, jotka suodattavat osan metaanista rajoittaen sen vapautumista ilmakehään. Samalla metaanin hapetuksessa syntyvä hiilidioksidi (CO2) siirtyy rahkasammalen käyttöön. Rahkasammalien ja metanotrofien muodostama ”metaanisuodin” on havaittu useammassa tutkimuksessa, mutta muun muassa sen herkkyys ympäristön muutoksille tunnetaan huonosti. Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin rahkasammalien ja niissä elävien metanotrofien vuorovaikutuksen tarkempaa luonnetta. Metanotrofien yhteisörakennetta ja aktiivisuutta tarkasteltiin suhteessa suoekosysteemissä tapahtuviin muutoksiin. Vertailun vuoksi tutkittiin myös sammalten alapuolisten turvekerrosten metaaninhapetusta. Metanotrofien molekyylibiologisessa analysoinnissa hyödynnettiin erityisesti metaaninhapetuksen mahdollistavaa pmoA-geeniä sekä siihen perustuvaa koetinsirutekniikkaa. Ensimmäisessä osatyössä metanotrofien ja niiden hapetusaktiivisuuden osoitettiin leviävän rahkasammalesta toiseen veden välityksellä. Työn perusteella nämä metanotrofit kykenevät elämään myös sammalien ulkopuolella eli niiden välillä näyttäisi olevan ns. fakultatiivinen symbioosi. Kahdessa muussa osatyössä rahkasammalten metanotrofien dynamiikan havaittiin olevan hyvin samankaltaista kahdella erilaisella suon kehitysgradientilla: sekä luonnontilaisilla soistuvilla aloilla, että eri-ikäisillä, uudelleen kasvittuneilla turvetuotantoaloilla. Metanotrofien yhteisöt olivat monimuotoisia kaikissa kehitysvaiheissa, mutta niiden valtaryhmät erosivat nuorten, vedenpinnaltaan epävakaiden alojen ja vanhojen, täysin sammalpeitteisten alojen välillä. Huolimatta yhteisöjen eroista metaaninhapetusaktiivisuus ei eronnut merkitsevästi eri kehitysvaiheissa, lukuun ottamatta aivan vanhimpien alojen heikompaa aktiivisuutta. Tämä viittaa ns. toiminnalliseen päällekkäisyyteen, jossa tietystä toiminnosta vastaa useampi, eri olosuhteisiin erikoistunut eliöryhmä. Toisin kuin elävässä sammalkerroksessa, sen alapuolisessa turpeessa hapetuspotentiaali kasvoi turpeentuotantoalojen kasvipeitteen kehityksen mukana. Kyky levitä veden välityksellä sekä toiminnallinen päällekkäisyys viittaavat rahkasammalten metanotrofien pystyvän sekä sopeutumaan erilaisiin olosuhteisiin, että palautumaan suoekosysteemiä kohtaavista häiriöistä, kuten ilmastonmuutoksen mukana mahdollisesti lisääntyvistä kuivista jaksoista. Rahkasammalkerroksessa jo nuorimmalla turvetuotantoalalla havaittu metaaninhapetuspotentiaali tulisi huomioida näitä aloja ennallistettaessa: rahkasammal-istutusten avulla näyttäisi olevan mahdollista paitsi käynnistää hiilensidonta turpeeksi, myös torjua samanaikaisesti lisääntyviä metaanipäästöjä.
Permanenta länken (URI): URN:ISBN:978-951-651-594-9
http://hdl.handle.net/10138/233927
Datum: 2018-04-20
Subject:
Rights: Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.


Filer under denna titel

Total number of downloads: Loading...

Filer Storlek Format Granska
Sphagnum.pdf 1.216Mb PDF Granska/Öppna

Detta dokument registreras i samling:

Visa fullständig post