Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Для арктической тундры посредством разновременного композитного изображения Sentinel-2 за 2019 и 2020 гг. по максимуму NDVI, выполнено крупномасштабное картографирование района исследований по типам земной поверхности. Для выделенных классов поверхности, по данным BIMASAR2, рассчитаны площадь и запасы надземной биомассы. Согласно RLC-2014 TerraNorte, (Bartalev et al., 2013), для тестовой территории по площади и по запасу преобладают классы осоковой (38%), кустарниковой (22%) и крупнобугристой тундры (22%). При дистанционном картографировании некоторые классы (в большей степени болота и осоковые тундры) в пониженных и пойменных участках рельефа имеют сезонную вариацию площади, вызванную периодическим подтоплением. Анализ изображений показал, что на территориях, удаленных более 5-10 км от населенных пунктов и промышленных объектов, значительных антропогенных изменений за период 2017-2021 гг. не фиксируется. Обобщенные и пространственно генерализованные зоны нарушений в районе исследований составляют для 2017 г. – 9800 га и для 2021 г. – 13500 га. Прирост нарушенной площади на 35% в юго-восточном направлении, вероятнее всего, объясняется увеличением площади заболоченной территории, что может быть вызвано прогрессирующей транспортной (дорожной) нагрузкой на экосистемы тундры в этом районе. На доминантных ненарушенных ландшафтных единицах арктической тундры выполнены инструментальные измерения выделений (эмиссии) метана в атмосферу и определены фоновые значения эмиссионных потоков в районе исследований. Отмечено, что средние значения потоков метана с поверхности почвы для района исследований варьируют в диапазоне от 0.1 мкг CH4 м-2 ч-1 до 19.5 мкг CH4 м-2 ч-1. При этом наблюдались как зоны активного выделения, так и поглощения метана, которые определяли средние значения потоков CH4. В целом, все участки наблюдений выступали источниками метана в атмосферу. При этом, максимальными средними значениями эмиссии метана (19.5 мкг CH4 м-2 ч-1) характеризовался участок наиболее увлажненной маршевой тундры, и существенно меньшие значения наблюдались на более сухих участках медальонной и кустарничково-моховой тундры, 4.74 мкг CH4 м-2 ч-1 и 4.24 мкг CH4 м-2 ч-1, соответственно. В свою очередь, участок увлажненной осоковой тундры демонстрируя средние значения эмиссионного потока метана на уровне 0.1 мкг CH4 м-2 ч-1, характеризовался наибольшей среди всех изученных типов тундры интенсивностью поглощения метана – до 15.5 мкг CH4 м-2 ч-1. При внесении осадков на участке осоковой тундры, метанотрофная активность изменялась незначительно (-13.6), но интенсивность выделения метана в атмосферу возрастала многократно, достигая, в среднем значении, 68.3 мкг CH4 м-2 ч-1. Характерная способность осоки быть проводником метана через корневую систему и стебли, позволила выявить наиболее быстрый сигнал выделения метана после внесения осадков. Отмечается и смещение изотопного сигнала δ13C-CH4 для разных участков наблюдений, но диапазон -65 – -78 ‰ δ13C, в целом, свидетельствует об ацетокластическом пути формирования метана микробоценозами на участках наблюдений. Вместе с тем, смещение изотопной подписи δ13C-CH4 в сторону более положительных величин может характеризовать усиление вклада метанотрофных процессов. В нашем случае, некоторым исключением выступает участок кустарничково-моховой тундры (-45‰), где можно предполагать метилотрофный и ацетокластический типы метаногенеза. Для элементарных водосборов небольших водотоков (аквального ландшафта), впадающих в основные протоки дельты р. Лена и характеризующиеся различными особенностями их водосборных территорий, выявлена зависимость между значениями концентрации метана в водотоке и типом ландшафтов исследуемых элементарных водосборов: наибольшие концентрации метана наблюдались в водотоке, на водосборной территории которого преобладали обводненные полигональные структуры, наименьшие – на объектах, расположенных на ледовом комплексе, что, вероятно, в том числе связано с большей мощностью сезонно-талого слоя на данном участке. Предприняты первые шаги для установления направления метаногенеза на примере элементарного водосбора тундрового водотока, что позволит в дальнейшем оценить вклад данного элемента в общий цикл углерода. Кроме того, планируется установить зависимости от контролирующих метаногенез факторов: концентрации органического вещества, его происхождения (аллохтонного, автохтонного), температурного режима, гидрологических и ландшафтных особенностей водотоков. С поверхности образцов мхов и лишайников исследуемых арктических экосистем было выделено три штамма микроорганизмов с доказанной нами в лабораторных экспериментах (при использовании газового анализатора Picarro 2201-i) метанотрофной активностью. Штаммы были изолированы в чистые культуры и исследованы в ЦКП “Геномика” (ИХБФМ СО РАН, г. Новосибирск). Штаммы маркированы как Cetr-1, Sp-H2 и SP-H5. Точная таксономическая идентификация исследуемых микроорганизмов, а также проверка наличия генов, участвующих в метаболизме метана, была выполнена с использованием высокопроизводительного секвенирования с низким покрытием. В результате анализа сборки геномов было показано наличие последовательностей, кодирующих синтез метан-оксигеназы в изоляте Sp-H2. Таксономический анализ по коровым генам показал, что штамм Cetr-1 представляет собой новый вид архей из класса Heimdallarchaeia; штамм Sp-H2 - представитель вида Paraburkholderia phenazinium C (ранее для этого вида наличие метан-оксигеназы показано не было); штамм Sp-H5 – представитель нового вида из бактериального рода Hyphomicrobium. Для более подробного анализа на следующем этапе работы планируется получение полных кольцевых геномов всех трех изолятов, а также проведение биохимических тестов для описания двух новых видов микроорганизмов с последующей публикацией статей, и депонирование штаммов во Всероссийские коллекции микроорганизмов.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетном периоде проведен биохимический и микробиологический анализ почвенных образцов, отобранных в ходе экспедиционных работ, а также лабораторные анаэробные инкубационные эксперименты по потенциальному выделению метана донными осадками озер Арктического и Антарктического регионов. Продолжены полевые манипуляционные эксперименты по внесению осадков в почвы исследуемых экосистем, определены фоновые значения эмиссии/поглощения метана почвами полуострова Файлдс и выполнено картирование фоновых эмиссионных потоков СН4 в районах установки систем непрерывного метеорологического мониторинга. С использованием данных литературных источников за период 1991-2021 гг. проведена масштабная оценка эмиссионных потоков метана в экосистемах Арктической и Антарктической тундр. Результаты работ следующие: Исследован химический состав природных вод двух репрезентативных участков, выбранных для полевых исследований по тематике проекта: (1) в «Бухте Медуза» Государственного природного заповедника «Большой Арктический» в районе г.п. Диксон и (2) в оазисе п-ова Файлдс на о. Кинг Джордж, Южные Шетландские острова, в районе Российской антарктической станции Беллинсгаузен. Определены физико-гидрохимические параметры водных объектов и почвенной влаги. Показано, что на формирование химического состава природных вод полярных регионов оказывают влияние атмосферные воды, геологическое строение территории, а также почвенный покров. Наличие многолетней мерзлоты создает условия, при которых поверхностные воды становятся изолированными от подземных. Несмотря на значительную удаленность исследуемых экосистем друг от друга, прослеживаются общие черты химического состава их вод, связанные со схожестью природных условий выбранных ключевых участков, в частности, преимущественное питание атмосферными осадками и близость ключевых участков к морям. Почвенный покров также играет одну из ведущих ролей в формировании химического состава природных вод. Почвы являются основным источником органического вещества, поступающего в полярные водоемы озера. Водные объекты полярных регионов отличаются невысокими концентрациями растворенного органического углерода, что связано с незначительным поступлением или полным отсутствием аллохтонного вещества с водосборной территории. Тем не менее, арктические почвы имеют более значимое воздействие на поверхностные воды, чем почвы Антарктики, в виду более развитого почвенного профиля и больших запасов органического вещества. Исследована структура бактериальных сообществ криогенных почв Typic Aquiturbel тундр Арктического региона исследований и почв Arenosols Soils и Skeletic Turbic Антарктического региона. Сравнительный анализ бактериальных сообществ тундровых почв обоих исследуемых регионов показал, что бактериальное разнообразие в почвах Антарктики было ниже, чем в почвах Арктики, что, возможно связано с географической изоляцией антарктических регионов. Принято считать, что Антарктическое циркумполярное течение существенно ограничивает распространение микроорганизмов по воздуху на антарктический континент (Archer et al., 2019), либо чрезвычайно суровые условия, наблюдаемые только в этих экосистемах, препятствуют успешной колонизации микроорганизмами субстратов, в случае, если микроорганизмы достигают континента (Hibbing et al., 2010). Проведены анаэробные инкубационные эксперименты по выделению метана донными отложениями озер исследуемых регионов при двух температурных режимах (4°C и 25°C). В течение 90 суток при помощи газоанализатора Picarro 2201-i регистрировали выделение CH4 и смещение изотопного состава δ13C(CH4),‰ VPDB. Показано, что потенциальная метаногенная способность была выше в осадках антарктического озера, как при температуре около 4°С, так и при повышении температуры до 25°С, по сравнению с осадками арктических озер. Продукция метана микробными сообществами протекала с использованием ацетокластических путей метаногенеза (значения δ13C в выделяемом метане варьировали от -30‰ до -60‰ VPDB). При этом, практически полное исчерпание доступного для метаногенеза субстрата происходило в течение 6 недель после начала инкубационных экспериментов, как арктическими, так и антарктическими метаногенными сообществами. Таким образом, микробиота стабильно холодных местообитаний продемонстрировала сходные тенденции потенциального выделения метана, но антарктические микробные сообщества были способны более эффективно производить метан, как при низких, так и при повышенных температурах. Измерение фоновой эмиссии метана с поверхности различных ландшафтных единиц полуострова Файлдс проводилось на 20 мониторинговых площадках. За сезон было проведено 5 измерений, с интервалом в 2-3 недели (январь – февраль 2022 г.). Отмечено, что антарктические почвы демонстрировали метан-поглощающую способность на протяжении всего сезона, которая варьировала от -42.04 мкг CH4 м-2 ч-1 до -0.71 мкг CH4 м-2 ч-1 и была наиболее выражена в начале января, постепенно снижаясь к концу февраля. В полевых манипуляционных экспериментах исследован отклик эмиссионных потоков метана из тундровых почв маритимной Антарктики на увеличение количества осадков. Измерения эмиссии/поглощения метана проводились в динамике, при помощи газоанализатора Picarro G4301 для двух типов почв: Protic Arenosols (Turbic) и Skeletic Turbic Cryosols, в течение 3‐х недель, на выделенных площадках: (i) фон; внесение дополнительно дождевой воды в количестве (ii) 5 мм м-2, (iii) 10 мм м-2 и (iv) 15 мм м-2. Показано, что исследованные почвогрунты были хорошо аэрированы, почвы Protic Arenosols (Turbic) находились в равновесном состоянии относительно эмиссии/поглощения метана, почвы Skeletic Turbic Cryosols проявляли выраженную способность к окислению СН4. Внесение дополнительно 90 мм м-2 дождевой влаги не повлияло на способность почв Protic Arenosols (Turbic) окислять метан, но сдвинуло окислительную способность почв Skeletic Turbic Cryosols в сторону эмиссии метана. С использованием данных литературных источников за период 1991-2021 гг. проведена масштабная оценка эмиссионных потоков метана в полярных экосистемах. Проанализированы данные примерно 7 тысяч измерений в арктических и антарктических наземных местообитаниях и выделено 14 типов растительного покрова. Проведенный анализ глобальной зависимости эмиссии метана от типа наземной растительности не выявил значимых различий в величинах потока метана в арктических местообитаниях, однако во всех описанных в литературе антарктических регионах отмечены сведения о поглощении метана почвами, независимо от вида или присутствия напочвенного покрова. В арктических регионах максимальные значения выделения метана связаны с мохово-кустарничково-осоковым типом напочвенного покрова. Информация о ходе работ по проекту размещена на портале https://www.researchgate.net/project/The-release-of-tundra-methane-in-the-wetter-world-bipolar-field-based-study-in-Arctic-and-Antarctic

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В полевых манипуляционных экспериментах по дождеванию почв антарктической тундры показано, что «память» микробных сообществ почв Protic Arenosols (Turbic) и Skeletic Turbic Cryosols об избыточной влаге зависит от типа почвы. Мы предполагаем, что метанотрофия в данных почвах является доминирующим путем микробного метаболизма метана. В то же время, поскольку известно, что в минеральных почвах полуострова Файлдс преобладает гидрогенотрофный путь метаногенеза над ацетокластическим (Thalasso et al., 2022), в некоторых почвах (например, Skeletic Turbic Cryosols), где содержание углерода экстремально низкое, дополнительная влага может формировать анаэробные условия, способствующие развитию гидрогенотрофного метаногенеза. В целом, для данной экосистемы, при возможном увеличении дождей в троекратном объеме, возможность дополнительной эмиссии метана в атмосферу прогнозируется нами как «слабая». В результате проведения полевых манипуляционных экспериментов в арктической тундре был сделан вывод о том, что глееземы мерзлотные криотурбированные, в не зависимости от типа сформировавшегося на них напочвенного покрова (за исключением кустарничково-моховой тундры), в ответ на увеличение количества поступающей влаги будут реагировать всплеском потока метана в атмосферу. В ответ на умеренное и сильное увеличение количества осадков участки открытой почвы (для глееземов мерзлотных криотурбированных) арктической тундры будут служить источником СО2 в атмосферу. При наличии напочвенного покрова дополнительная влага будет способствовать поглощению почвами углекислоты. Получены данные метеоклиматических параметров средней температуры воздуха, а также температуры и влажности почвы арктической и антарктической тундры для участков проведения полевых дождевальных экспериментов. Показано, что среднелетние температуры арктической и антарктической тундры различались в 5 раз (с более высокими показателями в арктической тундре), а среднезимние температуры различались в 8,5 раз (с более низкими температурами в арктической тундре). Влажность почвы в летний период была выше в арктической тундре. Таким образом, более мягкий климат регистрировался в маритимной Антарктике, более резкий климат регистрировался в маритимной Арктике. На полуострове Файлдс (Антарктика) при помощи крупномасштабного картографирования показано, что почвы Skeletic Turbic Cryosols характеризовались более интенсивным поглощением CH4 по сравнению с почвами Protic Arenosols (Turbic) на протяжении всего периода астрального лета. Также отмечено, что способность к поглощению метана почвами варьировала от -119,72 мкг CH4 м-2 ч-1 до -0,71 мкг CH4 м-2 ч-1 и была наибольшей в начале января, постепенно снижаясь к концу марта. При помощи визуализации метагеномной композиции почв исследуемых образцов сопоставлены микробные сообщества почв арктической и антарктической тундры с содержанием C и N в профиле сезонно-талого слоя. Низкое содержание C и N в антарктических грунтах (0,29% С и 0,04% N для Protic Arenosols (Turbic) и 0,12% С и 0,02% N для Skeletic Turbic Cryosols) сопутствовало низкому разнообразию бактерий и архей, которое (разнообразие), однако, увеличивалось вниз по почвенному профилю. В сообществе архей доминировали представители Crenarchaeota (экстремофильные серные анаэробные археи) и Thaumarchaeota (окисляющие аммиак хемолитотрофы). В арктических почвах высокое содержание C и N (1,82 – 4,22 %С; 0,15 – 0,32 %N в глееземах мерзлотных криотурбированных и 0,90 – 1,31 %С; 0,09 – 0,12 %N в криоземах глееватых) сопровождало более высокое разнообразие бактерий, как в верхних, так и в надмерзлотных горизонтах сезонно-талого слоя. Для обеих экосистем подтверждено наличие метанотрофной составляющей в микробных сообществах цикла метана. Несмотря на разницу в длине нуклеотидных последовательностей, оба обнаруженных гена кодируют мембранно-связанные монооксигеназы (pМMO), которые тесно связаны с аммиачно-монооксигеназой (АМО). Следовательно, в полярных экосистемах, в не зависимости от микроклиматических условий и наличия углеродного субстрата, микробные сообщества, потребляющие метан, демонстрируют сходные модели физиологического поведения. Сравнивая две изученные экосистемы, можно сказать, что они различаются как по микроклиматическим параметрам, так и по содержанию углерода и азота в почвах, а также по составу микробных сообществ. В арктической тундре, вследствие более высокого содержания углерода, преобладают метаногенные сообщества ацетокластического пути производства метана (образуют метан из низкоуглеродных соединений). В антарктической тундре в минеральных почвах – с низким содержанием углерода, преобладают гидрогенотрофные метаногены (образуют метан из Н2 и СО2), а в почвах с повышенным содержанием органики (например, орнитопочвы и донные отложения – данные из проведенных нами инкубационных экспериментов, не вошли в отчет) гидрогенотрофные и ацетокластические пути образования метана равноценны. Метанотрофия ярко выражена в обеих исследованных экосистемах. Возможность эмиссии потоков метана в атмосферу из тундровых ландшафтов Антарктики в ответ на увеличение количества осадков оценивается нами как низкая. Потенциальная эмиссия метана из почв Арктики при двукратном увеличении количества дождей оценена нами как высокая. Эмиссия СО2 с поверхности почв арктической тундры в ответ на дождевание будет зависеть от напочвенного покрова, и может представлять из себя как отрицательные, так и положительные потоки.