Archaea, Bacteria, and methane production along environmental gradients in fens and bogs

Metanogeenit ovat hapettomissa oloissa eläviä arkkien pääryhmään kuuluvia mikrobeja, joiden ainutlaatuisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyy metaania. Ilmakehässä metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Yksi suurimmista luonnon metaanilähteistä ovat kosteikot. Pohjoisten soiden metaanipäästöt vaihtelevat voimakkaasti eri soiden välillä ja yhden suon sisälläkin, riippuen muun muassa vuodenajasta, suotyypistä ja kasvillisuudesta. Väitöskirjatyössä tutkittiin metaanipäästöjen vaihtelun mikrobiologista taustaa. Tutkimuksessa selvitettiin suotyypin, vuodenajan, tuhkalannoituksen ja turvesyvyyden vaikutusta metanogeeniyhteisöihin sekä metaanintuottoon kolmella suomalaisella suolla. Lisäksi tutkittiin ei-metanogeenisia arkkeja ja bakteereita, koska ne muodostavat metaanin tuoton lähtöaineet osana hapetonta hajotusta. Mikrobiyhteisöt analysoitiin DNA- ja RNA-lähtöisillä, polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvilla menetelmillä. Merkkigeeneinä käytettiin metaanin tuottoon liittyvää mcrA-geeniä sekä arkkien ja bakteerien ribosomaalista 16S RNA-geeniä. Metanogeeniyhteisöt ja metaanintuotto erosivat huomattavasti happaman ja vähäravinteisen rahkasuon sekä ravinteikkaampien sarasoiden välillä. Rahkasuolta löytyi lähes yksinomaan Methanomicrobiales-lahkon metanogeeneja, jotka tuottavat metaania vedystä ja hiilidioksidista. Sarasoiden metanogeeniyhteisöt olivat monimuotoisempia, ja niillä esiintyi myös asetaattia käyttäviä metanogeeneja. Vuodenaika vaikutti merkittävästi metaanintuottoon. Talvella havaittiin odottamattoman suuri metaanintuottopotentiaali sekä viitteitä aktiivisista metanogeeneista. Arkkiyhteisön koostumus sen sijaan vaihteli vain vähän. Tuhkalannoitus, jonka tarkoituksena on edistää puiden kasvua ojitetuilla soilla, ei merkittävästi vaikuttanut metaanintuottoon tai -tuottajiin. Ojitetun suon yhteisöt kuitenkin muuttuivat turvesyvyyden mukaan. Vertailtaessa erilaisia PCR-menetelmiä todettiin, että kolmella mcrA-geeniin kohdistuvalla alukeparilla havaittiin pääosin samat ojitetun suon metanogeenit, mutta lajien runsaussuhteet riippuvat käytetyistä alukkeista. Soilla havaitut bakteerit kuuluivat pääjaksoihin Deltaproteobacteria, Acidobacteria ja Verrucomicrobia. Lisäksi löydettiin Crenarchaeota-pääjakson ryhmiin 1.1c ja 1.3 kuuluvia ei-metanogeenisia arkkeja. Tulokset ryhmien esiintymisestä hapettomassa turpeessa antavat lähtökohdan selvittää niiden mahdollisia vuorovaikutuksia metanogeenien kanssa. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metanogeeniyhteisön koostumus heijastaa metaanintuottoon vaikuttavia kemiallisia tai kasvillisuuden vaihteluita kuten suotyyppiä. Soiden metanogeenien ja niiden fysiologian parempi tuntemus voi auttaa ennustamaan ympäristömuutosten vaikutusta soiden metaanipäästöihin.

Aerobic carbon-cycle related microbial communities in boreal peatlands: responses to water-level drawdown

Boreal peatlands represent a considerable portion of the global carbon (C) pool. Water-level drawdown (WLD) causes peatland drying and induces a vegetation change, which affects the decomposition of soil organic matter and the release of greenhouse gases (CO2 and CH4). The objective of this thesis was to study the microbial communities related to the C cycle and their response to WLD in two boreal peatlands. Both sampling depth and site type had a strong impact on all microbial communities. In general, bacteria dominated the deeper layers of the nutrient-rich fen and the wettest surfaces of the nutrient-poor bog sites, whereas fungi seemed more abundant in the drier surfaces of the bog. WLD clearly affected the microbial communities but the effect was dependent on site type. The fungal and methane-oxidizing bacteria (MOB) community composition changed at all sites but the actinobacterial community response was apparent only in the fen after WLD. Microbial communities became more similar among sites after long-term WLD. Litter quality had a large impact on community composition, whereas the effects of site type and WLD were relatively minor. The decomposition rate of fresh organic matter was influenced slightly by actinobacteria, but not at all by fungi. Field respiration measurements in the northern fen indicated that WLD accelerates the decomposition of soil organic matter. In addition, a correlation between activity and certain fungal sequences indicated that community composition affects the decomposition of older organic matter in deeper peat layers. WLD had a negative impact on CH4 oxidation, especially in the oligotrophic fen. Fungal sequences were matched to taxa capable of utilizing a broad range of substrates. Most of the actinobacterial sequences could not be matched to characterized taxa in reference databases. This thesis represents the first investigation of microbial communities and their response to WLD among a variety of boreal peatland habitats. The results indicate that microbial community responses to WLD are complex but dependent on peatland type, litter quality, depth, and variable among microbes.

Response of fungal and actinobacterial communities to water-level drawdown in boreal peatland sites

"We used PCR-DGGE fingerprinting and direct sequencing to analyse the response of fungal and actinobacterial communities to changing hydrological conditions at 3 different sites in a boreal peatland complex in Finland. The experimental design involved a short-term (3 years; STD) and a long-term (43 years; LTD) water-level drawdown. Correspondence analyses of DGGE bands revealed differences in the communities between natural sites representing the nutrient-rich mesotrophic fen, the nutrient-poorer oligotrophic fen, and the nutrient-poor ombrotrophic bog. Still, most fungi and actinobacteria found in the pristine peatland seemed robust to the environmental variables. Both fungal and actinobacterial diversity was higher in the fens than in the bog. Fungal diversity increased significantly after STD whereas actinobacterial diversity did not respond to hydrology. Both fungal and actinobacterial communities became more similar between peatland types after LTD, which was not apparent after STD. Most sequences clustered equally between the two main fungal phyla Ascomycota and Basidiomycota. Sequencing revealed that basidiomycetes may respond more (either positively or negatively) to hydrological changes than ascomycetes. Overall, our results suggest that fungal responses to water-level drawdown depend on peatland type. Actinobacteria seem to be less sensitive to hydrological changes, although the response of some may similarly depend on peatland type. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved."