Time & Energy: Fundamental microbial mechanisms that control CH4 dynamics in a warming Arctic

Mikroorganismer benytter seg av et stort antall ulike energikilder, er tilpasset ulike kjemiske betingelser og eksponeres for til dels store endringer i temperatur, vann og tilgjengelig energi gjennom årstidene og som et resultat av klimaendrnger. Hvordan enkeltorganismer og komplekse mikrobielle samfunn tilpasser seg sitt miljø på kort og lang sikt er grunnleggende kunnskap som er nødvendig for å forstå deres rolle i økosystemene og endring i oppførsel som følge av klimaendringer. I dette prosjektet prøver vi å forstå hvordan mikrober med nøkkelroller i den globale metan og karbonsyklusen har funnet sin rolle i miljøet, tilpasser seg endringer over tid, og hvilke konsekvenser dette har for konsentrasjonen av drivhugassene i atmosfæren. Prosjektet foregår i fire parallelle løp, hvor hver enkelt del tar for seg en del av den mikrobielle økologien hvor betydelige kunnskapsmangler begrenser vår forståelse av naturen: 1: Det enegetisk begrensende steg i metanproduksjon - syntrofi - Vi ser på hvordan organismer som lever på en diett på grensen av det teoretisk mulige reagerer på temperaturendringer over tid. Dette har betydning for vår forståelse av koblingen mellom klimaendringer og metanproduksjon i Arktisk torv. 2: Lave konsentrasjoner av drivhusgassen metan i atmosfæren kan kun brytes ned av en spesiell gruppe bakterier som lever med sterkt begrenset energitilgang, noe som gjør disse til en nøkkelgruppe i metansyklusen. Isolater av disse har ikke vært tilgjengelig før nå. Vi ser på evolusjonen, cellebiologien og metabolismen til en av de viktigste gruppene av bakterier innenfor temaet klimaendringer. 3: Store mengder karbon ligger lagret i jord. Nylig har forskere funnet ut at oppvarming over tid fører til en reduksjon i mengden karbon lagret i jord, før en ny balanse hvor en mindre mikrobiell biomasse overtar nedbrytningen. Vi ser på hvilke tilpasninger som skjer i mikrobielle samfunn i unike jordoppvarmingsforsøk på Island som ble startet for mer enn 50 år siden. 4: Forholdet mellom vegetasjonen og mikroorganismene som lever inne i dem, utenpå dem og i jorda under dem er grunnleggende for jordas karbonsyklus. Mose og ulike typer gress og starr er av de viktigste bidragsyterne til de store karbonlagrene av torv i Arktis og temperate strøk. Disse trues av nedbrytning som vil resultere i utslipp av drivhusgasser ved ytterligere endringer i klimaet. Vi ser på hvordan ulike torvmoser har tilknyttet seg ulike grupper av bakterier og hvordan dette henger sammen med økosystemenes evolusjon på kort og lang sikt. Vi studerer også hvordan endringer i sammensetningen av beitedyr og vegetasjon påvirker mikrobene i jorda og deres aktivitet.

Prosjektet vil medføre en økt forståelse for hvilke typer mikroorganismer er viktig for den globale metan og karbonsyklus. Spesielt fokus er på mikroorganismer som er en del av naturens respons på klimaendringer i Arktis.

Syntrophic bacteria and their methanogenic partners live at the energetic limit for microbial growth, and are therefore extremely sensitive to changes in their environment. These anaerobic microorganisms are responsible for the last step in the degradation of organic matter to methane (CH4) and CO2 in Arctic peat soils, and has been shown to be the bottleneck for CH4 production at low temperatures in these soils. The Arctic and sub-Arctic peatlands are exposed to temperature changes within and between seasons. Thus, the actual effect of a warmer climate on the carbon balance might be dependent on microbial responses to higher temperatures at timescales ranging from short(hours) to intermediate(weeks) and long(months). In this project I will explore temperature effects on microbial metabolism, microbial populations and microbial trophic networks in time series experiments to determine the speed of adaptation. Peat soils from Arctic Svalbard and sub-Arctic Northern Norway will act as model-systems as they represent two different levels of low-temperature adaptation. This project is extremely timely because it capitalises upon the recent developments in genome-centric metagenomics. With current methods it is possible to assemble high quality draft genomes from metagenomes, which act as a databases for assigning microbial transcripts to specific species within key functional guilds. Thereby we can track changes in the transcriptional activity of key species, corresponding metabolite fluxes and CH4 production over time to identify the dynamics of essential microbial mechanisms. The project is also important due to the rising Arctic temperatures and uncertain fate of large Arctic carbon stocks. Fundamentally it seeks to provide new insights into how complex microbial communities have evolved to respond to perturbations. Specifically, it seeks to explain how and how fast the syntrophic bottleneck reacts to changing temperature, and what effect this has on CH4 production.