新研究表明，土壤微生物可能会因永久冻土融化而产生额外的温室气体排放

随着地球变暖，科学家们长期以来一直担心有害温室气体可能从融化的北极永久冻土中渗出。最近的估计表明，到2100年，这些永久冻土释放的二氧化碳和甲烷量可能与大型工业国家的排放量持平。然而，科罗拉多州立大学微生物组科学家团队领导的一项新研究表明，这些估计可能太低了

微生物负责北方泥炭地融化产生温室气体的过程，泥炭地约占世界土壤碳的50%。目前，这种环境中的许多微生物都是冷冻的，没有活性

但随着土地的融化，微生物会“苏醒”并开始在地下的碳中翻腾。这种被称为微生物呼吸的自然过程产生了气候建模师预测的二氧化碳和甲烷排放量

目前，这些模型假设这种被称为微生物组的微生物群落会分解某些类型的碳，但不会分解其他类型的碳。但CSU领导的这项研究本周发表在《自然微生物学》杂志上，为这些微生物一旦被激活将如何表现提供了新的见解。研究表明，嵌入永久冻土中的土壤微生物会寻找一类以前被认为在某些条件下不可接触的化合物：多酚

CSU博士后研究员、该论文的第一作者Bridget McGivern说：“有这些碳库，比如甜甜圈、披萨和薯条，我们对微生物将使用这些东西的想法感到满意。”

“但还有其他东西，辛辣食物；我们不认为生物体喜欢辛辣食物。但我们的研究表明，实际上有生物体在吃辛辣食物，所以它不会只是停留在碳的状态，而是会被分解。”

更多的碳被微生物呼吸分解会产生额外的温室气体排放。但这一新发现也有其他含义。一些科学家此前曾提出理论，在融化的北极永久冻土中添加多酚可能会完全“关闭”这些微生物，有效地将大量潜在的问题碳捕获在地下。这个概念被称为酶锁理论

这似乎不再是一个可行的选择，农业科学院土壤与作物科学系副教授Kelly Wrighton说，他的实验室领导了这项工作。

“我们不仅认为这些微生物不吃多酚，”Wrighton说道，“我们还认为，如果多酚存在，就好像它们有毒，会使微生物处于不活动状态。”

由于其复杂性，土壤微生物组经常被认为是一个黑匣子。Wrighton希望这一关于多酚在永久冻土中作用的新信息有助于改变这种看法

“我想摆脱这些黑匣子的假设，”她说。“如果我们不了解系统的底层布线和管道，我们就无法设计解决方案。”

探索瑞典的永久冻土

解开土壤微生物和多酚之间的关系对McGivern来说是多年的努力，她于2017年在Wrighton实验室攻读博士学位时开始研究这个话题。

McGivern从一个简单的问题开始。科学家推测，如果没有氧气，土壤微生物就无法分解多酚。然而，肠道微生物不需要氧气来制造这种化合物——这就是人类从巧克力和红酒等富含多酚的物质中提取健康抗氧化剂的方式

McGivern想知道为什么土壤中的过程会有所不同，这个问题与含氧量很少或根本不含氧气的永久冻土或积水土地特别相关

“我攻读博士学位的动机是这两样东西怎么会存在？”McGivern说。“我们肠道中的生物可以分解多酚，但土壤中的生物不能？事实是，土壤中没有人真正研究过它。”

McGivern和Wrighton在实验室实验中成功测试了这一理论，并于2021年发表了一项概念验证研究。下一步是实地测试。该团队从瑞典北部的一个研究地点获得了核心样本，多年来，科学家们一直在这个地方研究与永久冻土和土壤微生物组有关的问题

但在McGivern能够在核心样本中寻找多酚降解的证据之前，她首先必须创建一个与多酚代谢相对应的基因序列数据库。McGivern挖掘了数千页现有的科学文献，对牛、人类肠道和一些已知对这一过程负责的土壤中的酶进行了编目

建立数据库后，McGivern将结果与核心样本中微生物表达的基因序列进行了比较。她说，果不其然，多酚代谢正在发生

“我们发现，58种不同多酚途径的基因都有表达，”McGivern说。“所以，我们说的是，微生物不仅有可能做到这一点，而且它们实际上在现场表达这种代谢的基因。”

尽管如此，还需要更多的工作，McGivern说。他们不知道是什么可能会限制新陈代谢的过程或速度——这两个因素都是最终量化永久冻土可能释放的额外温室气体排放量的重要因素

Wrighton说：“这样做的全部目的是建立更好的预测性理解，这样我们就有了一个可以实际操作的框架。”。“我们面临的气候危机如此之快。但我们能建模吗？我们能预测吗？我们要实现这一目标的唯一方法就是真正了解某些事情是如何运作的。”