Если вы заядлый садовник, возможно, вы подумали о торфяном мхе — разложившемся мхе сфагнума , который помогает удерживать влагу в почве — для улучшения вашей домашней почвенной смеси. И хотя горшечная среда может помочь растениям процветать, она также является ключевым компонентом торфяников: водно-болотных угодий, характеризующихся толстым слоем насыщенного водой и богатого углеродом торфа под живым мхом сфагнумом, деревьями и другими растениями .
Эти экосистемы покрывают всего 3% площади суши Земли, но «торфяники хранят более одной трети всего почвенного углерода на планете», — объясняет Джоэл Костка, профессор и заведующий кафедрой исследований в Школе биологических наук Технологического института Джорджии.
Это хранение углерода в значительной степени поддерживается микробами. В частности, два микробных процесса — фиксация азота и окисление метана — обеспечивают тонкий баланс, работая вместе, чтобы дать сфагновым мхам доступ к критически важным питательным веществам в истощенных питательными веществами торфяниках.
Сочетание этих двух процессов часто называют «недостающим звеном» круговорота питательных веществ в торфяниках. Однако как эти процессы отреагируют на изменение климата в северных широтах, неясно.
«Есть тропические торфяники, но большинство торфяников находится на севере». отмечает Кейтлин Петро, ученый-исследователь, работающий с Косткой в области биологических наук в Технологическом институте. «И они сильнее пострадают от изменения климата».
Костка и Петро недавно провели совместное исследование, чтобы выяснить, как этот критический тип экосистемы (и «недостающее звено» микробных процессов, поддерживающих ее) может реагировать на повышение температуры и уровня углекислого газа, которые, по прогнозам, должны произойти с изменением климата. Команда, в которую также входят исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL), Университета штата Флорида и Университета Теннесси в Ноксвилле, только что опубликовала свою работу в научном журнале Global Change Biology .
Костка и Петро говорят , что, проверяя влияние повышения температуры и углекислого газа на рост мха сфагнума , связанный с ним микробиом и общее состояние экосистемы, вычислительные модели будут лучше подготовлены для прогнозирования последствий изменения климата.
«В будущем, — добавил Костка, — мы надеемся, что результаты могут быть использованы менеджерами по охране окружающей среды и правительствами для адаптивного управления или геоинженерии торфяников, чтобы они процветали в более теплом мире».
Повышение тепла
Чтобы увидеть, как северные торфяники будут реагировать на изменение климата, команда, в которую также входил доцент Школы наук о Земле и атмосфере Дженнифер Гласс, обратилась к эксперименту ORNL «Реакция ели и торфяников в изменяющихся условиях окружающей среды» (SPRUCE) — уникальной полевой лаборатории в Северная Миннесота, где команда прогревает торфяные болота и экспериментально изменяет количество углекислого газа в атмосфере.
Начиная с 2016 года, команда подвергла различные части экспериментальных торфяников SPRUCE воздействию градиента более высоких температур в диапазоне от 0°C до 9°C, зафиксировав предсказанное моделью Межправительственной группы экспертов по изменению климата повышение на 4°C до 6°C. в северных регионах к 2100 г.
Реакция мха была значительной. Хотя в начале эксперимента почти 100% поверхности болота было покрыто мхом, покрытие мхом уменьшалось с каждым повышением температуры, падая до менее 15% в самых теплых условиях.
Важно отметить, что два микробных процесса, которые ранее были последовательно связаны, рассинхронизировались при более высоких температурах.
«Торфяники чрезвычайно бедны питательными веществами, а микробная фиксация азота представляет собой основной вклад азота в экосистему», — пояснил Костка. Фиксация азота — это процесс превращения атмосферного азота в органическое соединение, которое мох может использовать для фотосинтеза, а окисление метана позволяет мху использовать метан, выделяющийся при разложении торфа, в качестве энергии. «Окисление метана стимулирует фиксацию азота, удаляя при этом действительно важный парниковый газ, прежде чем он попадет в атмосферу. Это исследование показывает, что эти два процесса, катализируемые микробиомом сфагнума, разъединяются по мере того, как мох умирает».
«Эти процессы, происходящие вместе, действительно важны для сообщества», — пояснил Петро. Тем не менее многие микробы, способные как фиксировать азот, так и окислять метан, отсутствовали во мхах, собранных в вольерах с более высокой температурой. И хотя повышенный уровень углекислого газа, по-видимому, компенсировал некоторые изменения в круговороте азота, вызванные потеплением, разделение этих процессов сохранялось.
«Эти методы лечения изменяют довольно четко определенный и последовательный микробиом растений, который мы находим во многих различных средах и который выполняет эту постоянную функцию», — пояснил Петро. «Это похоже на полный функциональный сдвиг в сообществе».
Хотя неясно, какое из этих изменений — отмирание мха или измененная микробная активность — вызывает другое, ясно, что с более высокими температурами и более высоким уровнем углекислого газа происходит каскад непредсказуемых последствий для торфяных болот.
«В дополнение к прямому влиянию потепления климата на функционирование экосистемы, — добавляет Петро, — оно также привнесет все эти побочные эффекты, которые повлияют на торфяники так, как мы не предсказывали раньше».
