環(huán)北極多年凍土的快速退化形成了眾多的熱融湖塘，是全球甲烷氣體的排放熱點(diǎn)。在北極海岸地帶，海洋向沿岸熱融湖塘的侵蝕過程導(dǎo)致熱融湖塘轉(zhuǎn)變?yōu)闊崛跒a湖，并最終將其整合到海底多年凍土中。熱融瀉湖代表了海岸凍土向海底凍土的過渡階段，海水入侵極大地改變了原有熱融湖塘生物地球化學(xué)循環(huán)的淡水環(huán)境。目前，對(duì)這種較大環(huán)境變遷下，熱融環(huán)境中棲息的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能響應(yīng)、以及溫室氣體排放方式的轉(zhuǎn)變了解甚少。針對(duì)上述問題，冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藏北高原冰凍圈特殊環(huán)境與災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站楊思忠副研究員和德國地球科學(xué)研究中心合作者在西伯利亞北部拜科夫斯基半島（Bykovsky Peninsula）的海岸熱融地貌中開展了一項(xiàng)比較研究。 

　　該研究對(duì)采自熱融湖塘和瀉湖的沉積物湖芯樣本從環(huán)境化學(xué)、微生物學(xué)和溫室氣體等多個(gè)方面作了綜合分析，比較了沉積物和孔隙水的理化指標(biāo)分析、沉積層內(nèi)甲烷氣體濃度和同位素指標(biāo)，脂質(zhì)生物標(biāo)志物以及微生物群落結(jié)構(gòu)和功能潛力。研究發(fā)現(xiàn)，海水入侵重塑了熱融瀉湖沉積層的地球化學(xué)梯度，在原有淡水環(huán)境上疊加了富含硫酸鹽(sulfate-rich zone)和鹵化物的咸水層，該層內(nèi)孔隙水中CH4濃度顯著低于熱融湖塘，而較重的同位素特征表明發(fā)生了顯著的甲烷氧化(圖1)。微生物群落分析顯示，熱融瀉湖上部的富硫咸水層的甲烷循環(huán)群落明顯有別于淡水環(huán)境。富硫咸水層依賴于硫酸鹽的厭氧甲烷氧化菌(ANME-2a/b)為優(yōu)勢類群(圖2)，參與硫酸鹽異化還原的基因豐度比淡水環(huán)境中高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。所有層位中產(chǎn)甲烷群落中的主導(dǎo)類群均來自于甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanomassiliicoccales (圖2)，它們利用H2和非競爭性甲基化合物生產(chǎn)甲烷，所產(chǎn)的CH4同位素貧化。由于有機(jī)碳供應(yīng)充足，這些非競爭性甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌可在富硫環(huán)境中生存。約束性排序分析、方差分解及結(jié)構(gòu)方程模型分析一致表明孔隙水的化學(xué)差異是導(dǎo)致群落變化的主要原因。綜合以上結(jié)果，研究用示意圖總結(jié)了從海岸凍土帶熱融湖塘淡水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)闊崛跒a湖的主要功能模塊及甲烷周轉(zhuǎn)途徑的演變特征(圖3)。 

　　該成果以 Microbial methane cycling in sediments of Arctic thermokarst lagoons 為題發(fā)表于中科院一區(qū)TOP期刊Global Change Biology，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院副研究員楊思忠為論文第一作者和通訊作者。該研究獲德國教育科研部、亥姆霍茲基金和中科院聯(lián)合資助。

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圖1 海岸凍土帶三個(gè)熱融湖塘湖相沉積層的孔隙水化學(xué)特征。 縱軸表示從沉積層表面開始的深度。 其中LG和LNPF為淡水環(huán)境的熱融湖塘，PFL為熱融瀉湖。其沉積層表層分別位于湖面以下 510、560 和 310cm處 

圖2 氣泡圖顯示熱融湖塘(LG 和LNPF)和瀉湖(PFL)中產(chǎn)甲烷古菌（Methanogen），需氧甲烷氧化細(xì)菌（MOB）和厭氧甲烷氧化古菌（AOM）的組成特征

圖3 左圖顯示淡水熱融湖泊中甲烷循環(huán)群落和過程的分層分布，右圖顯示在熱融湖泊變成熱融瀉湖后群落和甲烷周轉(zhuǎn)途徑的重組特征。 所有模塊都包含嗜氫甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。 模塊 Module 1 僅存在于瀉湖的富含硫酸鹽的咸水層，由源自海洋的厭氧甲烷氧化古菌（ AOM）為核心組分。 模塊 4 的 AOM 是海洋和湖泊過渡層中常出現(xiàn)的組分。 模塊 2、模塊 3 和模塊 5 在熱融湖塘和瀉湖中均可見，由不同類型的產(chǎn)甲烷菌、需氧甲烷氧化細(xì)菌（MOB） 和厭氧甲烷氧化古菌（ AOM） 組成