Diversity and dynamics of microbial communities in Arctic permafrost- and Pingo systems with special focus on methane oxidizing bacteria
Abstract
Mikroorganismer er drivkraften bak alle økosystemer på jordkloden, og spiller helt sentrale roller i økosystemers funksjon. Grunnleggende innsikt i mikrobielle prosesser og interaksjoner er viktig for å forstå samspillet mellom det dynamisk kompleks av mikroorganismer som i samspill med de abiotiske miljø utgjør en funksjonell enhet. Dette gjelder også i de polare områdene. Klimaforandringer og økte atmosfæriske drivhusgasser, inkludert metan, har påvirket jordklodens økosystem helt siden det 18’de århundre. De mest dramatiske påvirkningene av klimaendringene skjer i de arktiske områdene siden de er svært følsomme for temperaturøkninger. Disse temperaturendringene fører til tining av permafrost, tilbaketrekning av isbreer og minkende havis. I områder med permafrost kan grunnvannet trenge sprekker i permafrosten via åpne pingo systemer i det høy arktiske landskapet, og dette er en del av de globale naturgassutslippene. Mikroorganismer er finnes naturlige i disse habitatene og kunnskap om deres tilstedeværelse og aktivitet er nødvendig for å bedre forstå effekten av klimaendringer.
I permafrost er det lagret store mengder organisk karbon som mikroorganismer kan bryte ned, resultatet av disse prosessene er økt utslipp av karbondioksid (CO2) under aerobe forhold. Dette gjør at jordens mikrobiom spiller en avgjørende rolle i den biokjemiske prosessen, og spesielt i karbon syklusen i Arktis. Denne doktoravhandlingen har som mål å kartlegge, oppdage og tilføre ny kunnskap om mikroorganismene til stede i permafrostsystemer, med utgangspunkt i prøver fra Adventdalen, Svalbard. De mikrobielle samfunnene har blitt analysert ved bruk av høykapasitetssekvensering ved merking av 16S rRNA-genene fos å se på sammensetningen av det mikrobielle samfunnet i tillegg til metagenomanalyser for å få informasjon om hvilke prosesser og funksjoner som finner sted i disse økosystemene. Jeg har videre hatt et spesifikt fokusert på funksjonell gruppe av bakterier som kan omdanne metan til CO2. Det ble også oppdaget og gjennomført vellykket isolering av nye psykrofile metanoksiderende bakterier (MOB) i sedimenter fra Lagoon pingo i Adventdalen. Dette er et verdifullt bidrag til økt kunnskap om de ulike bakteriene i slike kuldetilpassete habitater. resultatene vil ha betydning for videre studier og kunnskap om mikrobiell økologi og klimaendringer.
For å studere sammensetningen av det mikrobielle samfunnet i permafrostjord og pingo-sedimenter blir det i avhandlings artikkler (I, II og III) brukt høykapasitets sekvenseringsmetoder rettet mot 16S rRNA-genet. I artikkel I presenteres den mikrobielle samfunnsprofilen og metabolske funksjonen til holocene (ung alder) permafrostkjerner fra Adventdalen, Svalbard. Metagenomikk ble benyttet til å hente ut informasjon om metabolske prosesser i permafrostjorden. Det totale samfunnsgenomet ble studert og ulike gener og mulige metabolismespor (sykluser) ble undersøkt. Permafrost er et statisk og rikt habitat for mikroorganismer. Tining av permafrosten gir tilgang til organiske karbon som har vært bundet i tusenvis av år og frigjør naturlige klimagasser. I denne avhandlingen viste permafrost jord fra holocene alder en dominans av bakterier, og vi fant liten variasjon mellom prøvene. I permafrosten dominerte Actinobacteriota (40-50 %) og Chloroflexi (25 %), etterfulgt av Pseudomonadota (10 %). De metabolske funksjonene ble studert ved bruk av metagenomanalyse, og metabolismer som viser omsetting av karbon, nitrogen, svovel ble påvist sammen med stressrespons gener og gen for nedbrytning av aromatiske forbindelser ble identifisert.
I artikkel II beskrives den mikrobielle sammensetningen av sedimenter fra Lagoon Pingo i Adventdalen som ble samlet inn om våren. Disse resultatene blir videre koblet til vanngeokjemi, sedimentært totalt karbon- og nitrogeninnhold. Det ble tatt ut prøver til inkubasjonsforsøk, men det ble ikke påvist utslipp av metangass til tross for at vannet var overmettet med biogent metan. Strukturen i de mikrobielle samfunnene samsvarte med det som tidligere er rapportert fra kjemolitotrofe, oligotrofe og kjemoheterotrofe miljøer som hydrotermiske skorsteiner i havdypet, næringsfattige innsjøer, ferskvannssjøer og jordsmonn. Pingo-habitatet fremhever færre ekstreme forhold enn permafrostsedimentene i artikkel II, fordi det kontinuerlige innsiget av grunnvann gjennom pingo danner et islokk som beskytter sedimentene mot lave temperaturer og gjør at de aldri fryser. Sedimentene i Lagunen Pingo har en kontinuerlig tilførsel av metan og svovel. Til tross for dette ble det likevel ikke påvist noen metanproduserende arker i disse mikrobielle samfunnene. Noe som indikerer at metankilden må være knyttet til grunnvannets strømningsvei under pingo strukturen. Videre var de forventede metabolske aktivitetene basert på slektssammensetning i sedimentene; metanoksidasjon av Methylobacter sp., svovelreduksjon av Desulfocapsa sp. og svoveloksidasjon av Thiobacilllus sp. Pingoer er et relativt nytt habitat for studier av mikrobiell samfunns-sammensetning, og kunnskapen om de mikrobielle populasjonene koblet til disse systemene er minimal.
Vi har fortsatt svært begrenset informasjon om metanoksiderende bakterier som lever i kalde miljø. Vi har satt opp mange anrikningskulturer med inokulum fra pingo sedimenter hvor vi har benyttet CH4 som eneste karbon kilde. Vi har observert stor aktivitet i disse primære anrikningene, men det har vært vanskelig å få rene kulturer fra disse anrikningene som er viktig for å kunne studere isolatenes fysiologi. Vi overvant disse utfordringene i artikkel III, og lyktes med å isolere og dyrke en psykrofil metanoksiderende bakterie fra Lagoon Pingo. Oppdagelsen av denne ny Methylobakterier svalbardensis sp.nov-stammen LS7T4AT, som var anriket fra Lagoon Pingo, representerer et viktig tillegg av nye isolater og som kan øke vår forståelse av bakterier i kalde miljøer.
Undersøkelser av denne nye stammen ved hjelp av metagenomikk har gitt innsikt i dens funksjonelle gener og metabolisme. Til sammen har disse funnene utviklet vår forståelse av strukturen til mikrobielle samfunn og deres antatte metabolske roller i permafrost og periglaciale strukturer, kjent som Pingos. Denne avhandlingen utforsker også MAGS fra anrikningsbasert metagenomikk av andre pingoer, og avslører tilstedeværelsen av Methylomonadaceae, inkludert Methylobakterie- og Burkholderia-familiene, som er kjent for metanoksidasjonsgener. Methylobakterier finnes utbredt i arktiske permafrost og sedimenter og kan derfor foreslås som en modellbakterie for å studere metanoksidasjon og utslippsrater i Arktis i et klima i endring. Microorganisms regulate biological processes in various environments, including the Polar regions. Climate change and increased greenhouse gases have impacted Earth’s ecosystem since the 18th century, with the Arctic being particularly sensitive to temperature change. Significant impacts on geological features like thawing permafrost, retreat of glaciers, and loss of sea ice have been frequently reported. Terrestrial cold seeps release methane gas through permafrost via open system pingos in the High Arctic environment and are part of the global natural gas emissions. Microorganisms are natural inhabitants in these niches, and knowledge about their activity and interactions is needed to understand global climate change. Microbially-driven degradation of organic matter in permafrost releases methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) under aerobic conditions. Therefore, the soil microbiome is crucial in driving the global biogeochemical processes, especially the carbon cycle in the Arctic. This PhD thesis has aimed to shed light on some of the black boxes and add new information about the microbiome in permafrost systems in Adventdalen, Svalbard. The microbial communities have been analyzed using metabarcoding of the 16S rRNA gene for community analyses and metagenomics for a deeper functional analysis. I have specifically targeted the methane-oxidizing bacteria that can convert methane to CO2. Then, novel psychrophilic methanotrophic bacteria from the pingo methane seep sediments were successfully enriched and isolated, thereby broadening the understanding of bacteria from extreme habitats. These findings significantly impact our understanding of microbial ecology and climate change.
To study the microbial community composition of permafrost soil and pingo sediments, high throughput sequencing methods targeting the 16S rRNA gene were used in Paper I, Paper II, and Paper III to illuminate the unknown microbial community composition. In Paper I, insights into the microbial profile and metabolic functions of Holocene (young age) permafrost cores from Adventdalen Valley, Svalbard, are presented. Permafrost is a static and rich habitat for microorganisms; its thawing will give access to the organic carbon trapped for thousands of years and release natural GHGs. In this thesis, Holocene age permafrost sediments from Adventdalen Valley showed the dominance of Bacteria, and no significant changes with depth were seen. The dominating phyla were Actinobacteriota (40-50%) and Chloroflexi (25%) in permafrost, followed by other Pseudomonadota (10%). The putative metabolic functions were studied using metagenomic analysis, and critical pathways like carbon-nitrogen and sulfur, stress response and degradation of aromatic compounds, and molecular repair mechanisms were identified.
Paper II shows the microbial composition of sediments from Lagoon Pingo collected during spring, which links it with water geochemistry, sedimentary total carbon, and nitrogen contents. Samples were taken for incubation experiments, but no methane gas was detected despite the water being super-saturated with biogenic methane. The structure of the microbial communities corresponded with those reported from chemolithotrophic, oligotrophic, and chemoheterotrophic environments like deep-sea hydrothermal vents, nutrient-deficit lakes, and freshwater lakes and soils. The pingo habitat supports fewer extreme conditions than the permafrost sediments in Paper II because the continuous seepage of groundwater through the pingo forms an ice lid that protects the sediments from low temperatures so that the sediments never get frozen. The Lagoon Pingo sediments have a continuous supply of methane and sulfur. Still, no methanogens were found in the microbial communities, indicating that the source of methane must be associated with the groundwater flow path beneath the pingo. Furthermore, predicted metabolic activities based on the genus composition found in the sediments were methane oxidation ability by Methylobacter sp., sulfur reduction by Desulfocapsa sp., and sulfur oxidation by Thiobacilllus sp. Pingos are a new study area for microbial community composition, so knowledge about their indigenous microbial populations is minimal. This study, therefore, opens new routes for examining these microbial-rich habitats with rich geochemistry.
We still have very limited information about methanotrophs living in cold environments. It has been difficult to get into pure cultures, and studying their physiology has been a significant barrier in the research field. We overcame these challenges in Paper III and successfully targeted and cultivated pure psychrophilic methanotrophs from Lagoon Pingo. The discovery of a novel strain of the Methylobacter svalbardensis sp.nov strain LS7T4AT, enriched from the methane seep at the Lagoon Pingo, marks an important addition of novel isolates and in our understanding of bacteria in extreme environments. Investigating this new strain using metagenomics of the pure culture has provided insights into its functional genes and pathways
Together, these findings have evolved our understanding of the structure of microbial communities and their putative metabolic roles in permafrost and periglacial structures, known as Pingos. This research has perfected experimental methods for targeting methanotrophs from low temperatures, and the novel psychrophilic methane oxidiser will significantly expand our understanding of bacteria present in extreme environments, especially in climate-sensitive habitats. This thesis also explores MAGS from enrichment-based metagenomics of other pingos, revealing the presence of Methylomonadaceae, including the Methylobacter and Burkholderia families, known for methane oxidation genes. Methylobacter is constantly found in Arctic sediments and can be proposed as a model bacterium for studying methane oxidation and emission rates in a changing climate.
Description
Postponed access: the file will be accessible after 2025-05-01
Has parts
Paper I: Shalaka K. Patil, Yaxin Xue, Hilde Rief Armo, Maria Rigstad Langvad, Stefan Thiele and Lise Øvreås. Metagenomic analysis of microbial metabolic potential in Arctic Permafrost: Insights from Adventdalen Valley in Svalbard. The article is not available in the archive.Paper II: Shalaka K Patil, Andrew Hodson, Francesca Naletto, Stefan Thiele, Alexander Tveit, Lise Øvreås (2023). Sedimentary microbiome structure in a methane seep at Lagoon Pingo, Svalbard. The article is not available in the archive.
Paper III: Patil SK, Islam T, Tveit A, Hodson A, Øvreås L. Targeting methanotrophs and isolation of a novel psychrophilic Methylobacter species from a terrestrial Arctic alkaline methane seep in Lagoon Pingo, Central Spitsbergen (78° N). Antonie Van Leeuwenhoek. 2024 Mar 22;117(1):60. The article is available at: https://hdl.handle.net/11250/3160516