打嗝细菌识别产生温室气体的北极微生物

随着温室气体在迅速解冻的北极地区冒泡，桑迪亚国家实验室的研究人员正试图从土壤微生物中识别出其他微量气体，这些气体可能有助于了解北极永久冻土融化过程中发生的生物学变化。

桑迪亚生物工程师查克·斯莫伍德和他的团队最近花了五天时间收集湖床土壤和气体样本。由阿拉斯加大学费尔班克斯分校的 Katey Walter Anthony 教授领导的国际合作者加入了他们的行列，其中包括来自科罗拉多大学博尔德分校、位于里穆斯基的魁北克大学和以色列内盖夫的本古里安大学的研究人员。

“北极正在迅速变化，释放大量温室气体;我们只是不知道每年释放多少温室气体，”Smallwood 说。“我们在桑迪亚的工作旨在提高我们对土壤微生物产生多少温室气体的了解，而无需外出和破坏性地对永久冻土土壤进行采样。目标是使用敏感的气体检测设备对甲烷和二氧化碳产生的微生物挥发性化合物进行采样代替2种气体。”

甲烷和 CO 2都是温室气体，实际上甲烷在大气中捕获的热量比通常讨论的 CO 2更多。事实上，它的效力是 CO 2的 30 倍，Smallwood 说。

收集土壤和微生物样本

为了测量永久冻土系统中微生物活动的速率，Smallwood 的团队与阿拉斯加大学费尔班克斯分校的团队合作，于 3 月下旬在阿拉斯加费尔班克斯以北约 20 分钟处解冻永久冻土形成的两个冰冻湖中收集了他们的第一个永久冻土样本。他们还在今年 9 月收集了样本。明年，他们计划从阿拉斯加北坡奥利克托克角附近解冻的沿海沼泽地收集样本。

为了从湖床上收集土壤样本，首先阿拉斯加大学费尔班克斯分校的团队将戴上与绳索相连的安全带，走到结冰的湖面上清除结冰的湖面的积雪，并检查是否有变薄的迹象冰，斯莫伍德说。然后研究人员通过使用电锯切割三或四英尺厚的冰以去除巨大的冰块来准备该地点。

Smallwood 说，该团队随后将两个取芯装置中的一个放置在冰洞上方和周围。阿拉斯加大学费尔班克斯科学家 Chris Maio 提供的一种设备称为锤式取芯器，可收集 3 英尺长的样本，而另一种称为 Vibracore 采样器的设备可收集更深的样本，最高可达 13 英尺。

Vibracore 钻探设备包含一根直径为 3 英寸的长管，该管将快速振动穿过湖泊，向下进入湖床。使用吸力——类似于一个孩子用吸管和他们的手指来吸苏打水——研究人员去除了 3 到 10 英尺长的圆柱形湖床土壤“核心”，其中含有已经在那里生活了数百到数千年的微生物.

这些核心样本被冷冻并运往新墨西哥州，供桑迪亚技术专家 Jenna Schambach 和 Bryce Ricken 提取微生物，包括细菌和古生菌。古生菌是类似于细菌的单细胞生物，但它们与拥有细胞核的真核生物有许多生物学相似之处，这些真核生物包括人类和树木等多细胞生物。许多古细菌可以在极端环境中茁壮成长，例如间歇泉、非常咸的湖泊和含硫的深海喷口。Smallwood 和他的团队对古生菌特别感兴趣，因为有证据表明它们是主要的甲烷生产者。

在三月份的实地考察期间，研究小组还测量了他们各个实地地点的温室气体排放量。由于大部分湖泊都结冰了，他们没想到会测量到太多的甲烷释放量。然而，在位于湖边的钻孔地点，他们测量到的甲烷浓度为百万分之 500-800，大约是正常大气甲烷浓度的 400 倍。

使用桑迪亚设备，该团队从这个甲烷“烟囱”中收集气体，并与科罗拉多大学博尔德分校的科学家合作，以确定微生物将碳转化为甲烷的年龄和深度，Smallwood 说。

桑迪亚团队目前正在进行实验室实验，以研究甲烷烟囱中发现的微生物种群，以寻找其他指示微生物甲烷代谢的气体，沙姆巴赫说。

“我们认为我们低估了冬季和早春的甲烷排放量，而且甲烷烟囱的数量可能比任何人想象的都要多，”斯莫伍德说。“这是一个可怕的想法，想象数百个烟囱在阿拉斯加偏远地区抽出甲烷。我们不知道到底发生了多少，这导致了我们气候模型的不确定性。

生长北极微生物

Schambach 和 Ricken 正在处理湖床土壤样品，并将它们分成温度和湿度控制的生物反应器。Smallwood 说，这些容器可以模拟实验室解冻永久冻土湖系统中正在发生的事情。

研究人员将对样本中的 DNA 进行测序，以确定湖床不同层中存在的微生物类型，然后再在生物反应器中生长。他们还将使用类似的测序方法来跟踪微生物种群在温度和营养变化期间如何随时间变化。这些实验的目的是将微生物与甲烷和其他挥发性气体的释放联系起来。

“当我们在受控生物反应器中进行这些进化时，我们将不时采样以表征微生物种群如何随时间变化，”沙姆巴赫说。“我们试图回答的问题是：谁在这些孵化中，它们何时在社区中流行起来?我们还将进行微生物学实验，以分离这些非常不寻常的感兴趣生物的菌株。”

该团队还将通过检查存在的 RNA 来测量特定微生物在社区中的行为。Smallwood 说，这将把每种微生物与一种活动联系起来，甚至可能表明哪些微生物主要负责产生甲烷及其盟友，即为甲烷生产者提供维生素或其他间接帮助的微生物。

检测消解气体

从优质葡萄酒的香气到陈化堆肥的麝香，单细胞生物的活动会产生由复杂混合气体引起的独特气味。桑迪亚生物工程师菲利普·米勒 (Philip Miller) 正在带头分析旅途中收集的气体样本，试图找出与永久冻土融化过程中特定生物活动相关的特定气体。

在旅途中，Smallwood 的团队在小型吸附管中收集了气体样本。米勒将这些管子比作化学海绵，能够“吸收”很多有趣的气体，而不会占用太多空间。与湖床样品一样，这些试管也被冷冻并从阿拉斯加运往新墨西哥州。现在，米勒开始了解他们使用一种先进的设备收集了哪些类型的气体，这种设备称为带质谱的综合二维气相色谱仪。

“寻找挥发性化合物的生物标志物的游戏名称是分离，”米勒说。“第二个气相色谱柱可以更好地分离具有相似化学背景的气体。我们能够看到更多，并且更容易识别感兴趣的气体。这是了解我们是否可以使用类似工具的起点长期监测脆弱的生态系统。”

米勒将使用相同的先进系统来分析生物反应器中生长的微生物实时产生的气体。

该团队的目标是识别作为重要生物活动或重要微生物存在标志物的气体。Smallwood 说，在这个为期三年的项目结束时，他们希望获得设计便携式探测器所需的信息，该探测器可以在正在融化的北极地区寻找那些特定气体，从而提高科学家监测快速变化的环境的能力。

“我觉得这种定义生物体和气候如何相互影响的研究正在真正起飞，”Smallwood 说。“人们终于不仅关注地面上发生的事情，还关注我们脚下发生的事情。长期以来，科学家们只将土壤视为碳的来源，但现在我们已经意识到土壤可以产生或去除温室气体。我们正在与桑迪亚的 Umakant Mishra 等计算建模师合作，最终模拟土壤微生物如何导致温室气体排放，以减少我们气候变化预测中的不确定性。