北极Austre Lovénbreen冰川底部甲烷释放机制及其生物地球化学过程

More recently, studies have hiligted the potential role of the basal sediments of ice sheets as a potential source of methane during deglaciztion, but the relevant laboratory research is still insuffcient.this project select polythermal glacier, Austre Lovénbreen, Svalbard， as research field and carry out two years sample colllection of subglacial meltwater, pre-melt supraglacial snowpack, and subglacial sediments. By means of 16s rRNA and mcra gene amplification and sequencing, we examine whether the methanogenic archaea exsits at the bed of polythermal glacier,Austre Lovénbreen,Svalbard. By means of major ion chemistry and isotope analysis of subglacial meltwaterand pre-melt supraglacial snowpack samples, we search the evidence for anoxia and bioavailable organic carbon at the glacier bed. Combined with field monitoring and Laboratory simulation. we finally discuss the mechanism of methane production at the bed of glacier and its biogeochemistry process. we hope this research can provide the data support to the investigation of greenhouse effect by methane release of basal sedments of ice sheets and comprehension of global carbon circulation.

在气候变暖冰退期，冰盖底部沉积物暴露后在微生物作用下的甲烷释放潜力及其对气候的影响近年引起科学家们的高度关注，但相关的实验研究目前还相当缺乏。本项目以北极Austre Lovénbreen冰川为研究对象，连续两年采集冰川底部融水，冰川消退区雪坑和冰-岩界面土壤，通过对冰-岩界面土壤进行16s rRNA 和mcrA 基因文库构建，检验冰川底部是否存在产甲烷菌群落；通过对冰川底部融水和雪坑样品的主要化学组分及稳定同位素组成分析，检验冰川底部是否具备甲烷生成所需的厌氧环境和合适碳源；同时结合现场监测和室内模拟试验，探讨甲烷在冰川底部的生成机制及其生物地球化学过程，以期为调查研究气候变暖冰退期冰盖底部甲烷释放带来的温室效应和丰富全球碳循环的认识提供数据依据。

气候变暖冰退期冰川底部甲烷释放潜能和机制是前沿科学问题。本项目重点以北极多热性Austre Lovénbreen 冰川为研究对象，同时选择南极特定区域作为对比，通过采集冰川底部融水，冰川消退区雪坑和冰-岩界面土壤，应用生物地球化学手段研究探讨甲烷在冰川底部的可能生成机制。此外，采集了冰川前沿梯度样品，就微生物群落对冰川前缘环境变化的响应开展了深入的研究。结果表明：Austre Lovénbreen 冰川底部存在产甲烷菌，产甲烷菌类群主要为Methanonicrobiales和Methanocellales类群，在不同底物（H2/CO2，CH3COONa和未添加底物，仅添加Na2S）和4℃进行长期培养实验，发现H2/CO2是该处产甲烷菌类群更喜好的底物，甲烷在第21-27天开始激增随后平稳；.对来自东南极拉斯曼丘陵处冰川底部沉积物样品产甲烷菌多样性进行评估，显示低的产甲烷菌多样性，产甲烷菌类群主要为Methanonicrobiales和Methanocellales类群，在不同底物（H2/CO2，CH3COONa和未添加底物，仅添加Na2S）和不同温度条件下（1℃，4℃和12℃）进行长期培养实验，发现产甲烷活性在培养三个月后可以被检测到，12℃条件下添加H2/CO2底物检测到了最高的产甲烷速率。培养物的pH在培养6个月后开始明显升高，推测可能是硫酸盐还原菌与以乙酸为底物的产甲烷菌相互竞争后的结果；采集了东南极拉斯曼丘陵冰川前沿一处梯度样品，对其细菌群落演化过程进行了研究，结果发现在冰川消退的早期，高丰度类群对冰川前沿环境条件变化响应大于低丰度类群。高丰度类群被认为是主导地化元素循环的主要类群。同时，冰川前沿冰厚影响底部O2浓度、温度以及压力，冰厚在冰川消逝的起始阶段对于微生物群落的演化可能是最主要的影响因素。.通过本项目的实施，在冰川底部甲烷释放潜能和机制方面获得了一系列重要成果，提出了氢营养型产甲烷途径是冰下沉积物中的主要产甲烷途径这一重要结论。为揭示气候变暖冰退期冰川底部甲烷释放潜力及其对气候的影响提供重要的科学依据。