dc.contributor.advisor | Svenning, Mette Marianne | |
dc.contributor.author | Tveit, Alexander Tøsdal | |
dc.date.accessioned | 2014-04-10T09:12:19Z | |
dc.date.available | 2014-04-10T09:12:19Z | |
dc.date.issued | 2014-05-02 | |
dc.description.abstract | Arctic peatlands store more than one sixth of the soil organic carbon (SOC) on Earth. Microorganisms decompose SOC, leading to the production of the greenhouse gases methane (CH4) and carbon dioxide (CO2). Large temperature increases are predicted in the Arctic towards the end of the century (1–6 °C in summer and 2–11 °C in winter). How the microorganisms in Arctic peatlands will respond to this warming, and if it will result in an increased release of the stored carbon (C) as CH4 and CO2, is currently unknown.
We have developed and applied metagenomic and metatranscriptomic methods to characterize the gene composition and gene expression, respectively, of in situ microbial communities in Arctic peatlands in Svalbard. Further, we exposed the peat to increased temperatures and studied the response of the microbial communities and measured changes in CH4 and CO2 production.
Our results show that the Arctic peatlands inhabit a complex community of microorganisms, which cooperate for decomposition of SOC to CH4 and CO2. Bacteria are the most abundant, while smaller populations of Archaea and Eukarya are present. Our results indicated that a single species of bacteria, Methylobacter tundripaludum, was responsible for the oxidation of CH4 to CO2. When we exposed the microbiota to higher temperatures (5–30 °C), it had a drastic effect. We observed that it adapted quickly, i.e. within weeks, as indicated by a substantial increase in CH4 production. New groups of microorganisms replaced those that were active at low temperature, resulting in cascade effects throughout the CH4 producing microbial metabolic network. Predatory eukaryotes became more active, and prevented increased microbial biomass. Despite this, the result was a substantial increase in CH4 production, even within the predicted temperature increase for the Arctic. However future emissions will depend on the future rates of CH4 oxidation by Methylobacter tundripaludum. | en |
dc.description.doctoraltype | ph.d. | en |
dc.description.popularabstract | Mikrobielle nettverk i Arktisk jord
Mikroorganismer produserer og omsetter klimagasser i Arktisk permafrost jord. Det er forventet en temperaturøkning i Arktis i det kommende århundret, men hvordan mikroorganismer i arktiske økosystemer vil reagere på denne temperaturøkningen er i stor grad ukjent. Arktisk jord er et lager av karbon som utgjør en tredjedel av alt organisk karbon på jorden, en stor kilde til drivhusgasser som karbondioksid (CO2) og metan (CH4). Metan er en sterk drivhusgass fordi den binder mye solenergi i atmosfæren. Økt mengde av metan kan derfor ha stor effekt på vårt klima, selv om CO2 er den klimagassen som nå øker mest i atmosfæren. Våre resultater viser at en temperaturøkning vil føre til endringer i både sammensetningen og aktiviteten til mikroorganismene i Arktisk jord, noe som vil vil gi økte metanutslipp og kan få en forsterkende effekt på klimaendringene.
Vi har brukt nye metoder, metagenomikk og metatranskriptomikk for å studere genene og genuttrykket til alle de forskjellige mikroorganismene i det arktiske økosystemet. Disse metodene gjorde det mulig å studere det komplekse mikrosamfunnet under ett. Vi har anvendt metodene både på jord fra våtmarker på Svalbard om sommeren og jord som vi har utsatt for temperaturøkning.
Resultatene våre viser at våtmarkene inneholder et komplekst samfunnn av mikroorganismer med helt spesielle funksjoner, som i samarbeid bryter ned organisk karbon i torven. Det første stadiet i nedbrytningen er utført av mikroorganismer som skiller ut enzymer som bryter ned lagret plantemateriale til mindre komponenter. Andre mikroorganismer er videre involvert i nedbrytningen av produktene fra dette til klimagassene CH4 og CO2. I våre studier har vi identifisert en helt spesiell bakterie som bryter ned CH4. Den fungerer som et biologisk filter for CH4 i jorda, og forhindrer CH4 utslipp til atmosfæren. Hittil har man kjent til disse bakteriene kun fra øvre jordlag i ulike økosystemer, mensvåre resultater viser at denne viktige bakterien finnes gjennom hele jordlaget og kan ha en mye viktigere rolle som CH4 filter enn tidligere antatt.
Våre resultater viser også at temperatur økning har en dramatisk effekt på mikroorganismene. De arktiske mikrobene tilpasset seg høyere temperaturer i løpet av kort tid, noe som førte til en kraftig økning i CH4 produksjon. Når vi så nærmere på gen-sammensetningen og genuttrykket så vi at mange av gruppene vi hadde identifisert på lavere temperaturer var blitt erstattet med nye grupper av mikroorganismer med lignende funksjoner som var mer effektive på høyere temperaturer. I tillegg fant vi økt aktivitet av større eukaryote mikroorganismer som spiser bakterier. Dette indikerer at bakteriell vekst blir dempet av predasjon ved høyere temperaturer, men det forhindret ikke en økning i CH4 produksjonen.
Vi konkluderer med at den aktive delen av permafrost jord i Arktis inneholder et komplekst samfunn av mikroorganismer som spiller en nøkkelrolle i omsetning av lagret karbon. Disse er høysensitive til temperaturendringer, og klimaendringer vil derfor føre til økt klimagassproduksjon. Hvor mye CH4 som slippes ut i atmosfæren vil dog avhenge av effektiviteten til det bakterielle CH4 filteret. | en |
dc.description.sponsorship | The study was funded by a grant from the Norwegian research council grant 191696/V49. | en |
dc.description | Paper 2 and 3 of this thesis are not available in Munin: <br/>2. Alexander Tveit, Tim Urich and Mette M. Svenning: 'Metatranscriptomic analysis of methanogenic Archaea in Arctic peat soils' (manuscript). <br/>3. Alexander T. Tveit, Tim Urich, Peter Frenzel and Mette M. Svenning: 'Metabolic and trophic interactions modulate methane production by Arctic peat microbiota
in response to warming' (manuscript). | en |
dc.identifier.isbn | 978-82-8266-077-8 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10037/6162 | |
dc.identifier.urn | URN:NBN:no-uit_munin_5852 | |
dc.language.iso | eng | en |
dc.publisher | UiT The Arctic University of Norway | en |
dc.publisher | UiT Norges arktiske universitet | en |
dc.rights.accessRights | openAccess | |
dc.rights.holder | Copyright 2014 The Author(s) | |
dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0 | en_US |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-NC-SA 3.0) | en_US |
dc.subject | VDP::Mathematics and natural science: 400::Basic biosciences: 470::General microbiology: 472 | en |
dc.subject | VDP::Matematikk og Naturvitenskap: 400::Basale biofag: 470::Generell mikrobiologi: 472 | en |
dc.subject | VDP::Mathematics and natural science: 400::Basic biosciences: 470::Bioinformatics: 475 | en |
dc.subject | VDP::Matematikk og Naturvitenskap: 400::Basale biofag: 470::Bioinformatikk: 475 | en |
dc.subject | VDP::Mathematics and natural science: 400::Basic biosciences: 470::Molecular biology: 473 | en |
dc.subject | VDP::Matematikk og Naturvitenskap: 400::Basale biofag: 470::Molekylærbiologi: 473 | en |
dc.subject | Microorganisms | en |
dc.subject | Mikroorganismer | en |
dc.subject | Methane | en |
dc.subject | Metan | en |
dc.subject | Arctic | en |
dc.subject | Arktis | en |
dc.subject | Decomposition | en |
dc.subject | Nedbrytning | en |
dc.subject | Fermentation | en |
dc.subject | Fermentering | en |
dc.subject | Temperature | en |
dc.subject | Temperatur | en |
dc.subject | Climate | en |
dc.subject | Klima | en |
dc.subject | Peat | en |
dc.subject | Torv | en |
dc.subject | Soil | en |
dc.subject | Jord | en |
dc.title | Microbial communities and metabolic networks in Arctic peatlands | en |
dc.type | Doctoral thesis | en |
dc.type | Doktorgradsavhandling | en |