Microbial communities and their response to Pleistocene and Holocene climate variabilities in the Russian Arctic

• Main Author: Bischoff, Juliane
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2013
• Subjects: Arctic; climate change; microbial communities; lipid biomarkers; Life sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-68895; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2013/6889/

The Arctic is considered as a focal region in the ongoing climate change debate. The currently observed and predicted climate warming is particularly pronounced in the high northern latitudes. Rising temperatures in the Arctic cause progressive deepening and duration of permafrost thawing during the arctic summer, creating an ‘active layer’ with high bioavailability of nutrients and labile carbon for microbial consumption. The microbial mineralization of permafrost carbon creates large amounts of greenhouse gases, including carbon dioxide and methane, which can be released to the atmosphere, creating a positive feedback to global warming. However, to date, the microbial communities that drive the overall carbon cycle and specifically methane production in the Arctic are poorly constrained. To assess how these microbial communities will respond to the predicted climate changes, such as an increase in atmospheric and soil temperatures causing increased bioavailability of organic carbon, it is necessary to investigate the current status of this environment, but also how these microbial communities reacted to climate changes in the past. This PhD thesis investigated three records from two different study sites in the Russian Arctic, including permafrost, lake shore and lake deposits from Siberia and Chukotka. A combined stratigraphic approach of microbial and molecular organic geochemical techniques were used to identify and quantify characteristic microbial gene and lipid biomarkers. Based on this data it was possible to characterize and identify the climate response of microbial communities involved in past carbon cycling during the Middle Pleistocene and the Late Pleistocene to Holocene. It is shown that previous warmer periods were associated with an expansion of bacterial and archaeal communities throughout the Russian Arctic, similar to present day conditions. Different from this situation, past glacial and stadial periods experienced a substantial decrease in the abundance of Bacteria and Archaea. This trend can also be confirmed for the community of methanogenic archaea that were highly abundant and diverse during warm and particularly wet conditions. For the terrestrial permafrost, a direct effect of the temperature on the microbial communities is likely. In contrast, it is suggested that the temperature rise in scope of the glacial-interglacial climate variations led to an increase of the primary production in the Arctic lake setting, as can be seen in the corresponding biogenic silica distribution. The availability of this algae-derived carbon is suggested to be a driver for the observed pattern in the microbial abundance. This work demonstrates the effect of climate changes on the community composition of methanogenic archae. Methanosarcina-related species were abundant throughout the Russian Arctic and were able to adapt to changing environmental conditions. In contrast, members of Methanocellales and Methanomicrobiales were not able to adapt to past climate changes. This PhD thesis provides first evidence that past climatic warming led to an increased abundance of microbial communities in the Arctic, closely linked to the cycling of carbon and methane production. With the predicted climate warming, it may, therefore, be anticipated that extensive amounts of microbial communities will develop. Increasing temperatures in the Arctic will affect the temperature sensitive parts of the current microbiological communities, possibly leading to a suppression of cold adapted species and the prevalence of methanogenic archaea that tolerate or adapt to increasing temperatures. These changes in the composition of methanogenic archaea will likely increase the methane production potential of high latitude terrestrial regions, changing the Arctic from a carbon sink to a source. === Die Arktis ist in den gegenwärtigen Diskussionen zum Klimawandel von besonderem Interesse. Die derzeitig beobachtete globale Erwärmung ist in den hohen nördlichen Breiten besonders ausgeprägt. Dies führt dazu, dass ehemals gefrorene Böden zunehmend tiefer auftauen und daher im Boden enthaltene Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Umsetzung und Mineralisierung zur Verfügung stehen. Aufgrund dieser Prozesse entstehen klimarelevant Gase, darunter Kohlendioxid und Methan, die aus den Böden und Sedimenten freigesetzt werden können. Wenn man bedenkt, dass in den nördlichen Permafrostgebieten die Hälfte des weltweit unter der Bodenoberfläche gelagerten Kohlenstoffs gelagert ist, wird die Bedeutung dieser Region für das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und der möglichen Treibhaus-gasemissionen sichtbar. Trotz dieser Relevanz, sind die am Kohlenstoffumsatz beteiligten Mikroorganismen in der Arktis wenig untersucht und ihre Anpassungsfähigkeit an die gegenwärtigen Klimaveränderungen unbekannt. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie sich Klimaveränderungen in der Vergangenheit auf die Anzahl und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften ausgewirkt haben. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf die methanbildenden Archaeen, um das Verständnis der mikrobiellen Methandynamik zu vertiefen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Bohrkerne aus zwei verschiedenen Standorten in der russischen Arktis untersucht, darunter terrestrischer Permafrost und Seesedimente aus Sibirien und Chukotka, Russland. Mittels der Identifikation und Quantifizierung von mikrobiellen Genen und charakteristischen Bestandteilen der mikrobiellen Zellmembran war es möglich, fossile mikrobielle Gemeinschaften in Seesedimenten mit einem Alter von bis zu 480 000 Jahren und in Permafrostablagerungen mit einem Alter von bis zu 42 000 Jahren zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass es während vergangener warmen Perioden zu einem Wachstum von Bakterien und Archaeen in allen untersuchten Standorten gekommen ist. Dieser Trend konnte auch für die Gemeinschaft der methanogenen Archaeen gezeigt werden, die während warmen und insbesondere feuchten Klimabedingungen in großer Anzahl und Diversität vorhanden waren, was wiederrum Rückschlüsse auf mögliche Methanemissionen erlaubt. In den terrestrischen Permafroststandorten wird der Temperaturanstieg als direkte Ursache für die gefundene Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft vermutet. Im Gegenzug dazu, führte der Temperaturanstieg im untersuchten arktischen See wahrscheinlich zu einer erhöhten Primärproduktion von organischem Kohlenstoff, die wiederum das Wachstum der Mikroorganismen antrieb. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Methanosarcina-verwandte Spezies in der Russischen Arktis weit verbreitet sind und sich an veränderte Umweltbedingungen gut anpassen können. Im Gegensatz dazu stehen Vertreter von Methanocellales und Methano-microbiales, die nicht in der Lage sich an veränderte Lebensbedingungen anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass es in früheren Warmphasen zu einem vermehrten Wachstum der an der Umsetzung des organischen Kohlenstoffs beteiligten Mikroorganismen in der Russischen Arktis gekommen ist. Im Zusammenhang mit der zukünftigen Erwärmung der Arktis kann also von einer Veränderung der am Kohlenstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen ausgegangen werden kann. Mit den steigenden Temperaturen werden sich einige Vertreter der methanproduzierenden Mikroorganismen an die veränderten Bedingungen anpassen können, während Temperatur-empfindliche Vertreter aus dem Habitat verdrängt werden. Diese Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft können die Methanproduktion der hohen noerdlichen Breiten erhoehen und dazu beitragen, dass aus der Arktis als eine Kohlenstoffsenke eine Kohlenstoffquelle wird.