تثبیت کربن شیمی اتوتروفیک: یک فرآیند کربن نادیده گرفته شده در دریاچه های ترموکارست

چرا روی دینامیک کربن در دریاچه های ترموکارست تمرکز می کنیم؟

دریاچه‌های ترموکارست که از ذوب شدن ناگهانی یخ‌های دائمی تشکیل شده‌اند، یک شکل زمین معمولی در مناطق همیشه منجمد هستند و تقریباً 7 درصد از منطقه منجمد دائمی را پوشش می‌دهند. تشکیل دریاچه های ترموکارست نه تنها باعث آزاد شدن قابل توجه متان می شود، بلکه مقادیر زیادی کربن آلی محلول (DOC) را از خاک های اطراف به اکوسیستم آبی بسیج می کند. DOC در دریاچه‌های ترموکارست معمولاً به تجزیه میکروبی یا تخریب نوری بسیار حساس در نظر گرفته می‌شود و این دریاچه‌ها را به کانون‌های بالقوه برای دی اکسید کربن قابل توجهی تبدیل می‌کند.₂) انتشارات انگیزه اولیه مطالعه ما توصیف زیست تخریب پذیری DOC در دریاچه های ترموکارست در فلات تبت بود، بنابراین پتانسیل آنها برای انتشار CO2 ارزیابی شد.₂.

منظره ای از دریاچه های ترموکارست در نزدیکی گذر کوه بایانکالا در فلات تبت (34.2 ^FrN, 97.8 ^FrE; ارتفاع: 4557 متر; اعتبار: Futing Liu)

چه چیزی پیدا کردیم و چگونه یافته های جدید را توضیح دادیم؟

برای پاسخ آزمایشی به این سوال علمی کلیدی که در بالا ذکر شد، تیم تحقیقاتی ما نمونه‌های آب سطحی را از 188 دریاچه ترموکارست در امتداد یک ترانسکت 1100 کیلومتری دائمی منجمد در سراسر فلات تبت در جولای و آگوست 2019 و 2020 جمع‌آوری کرد. متعاقباً تجزیه‌پذیری زیستی DOC را در آزمایشگاهی در غلظت‌های دمایی DOC2 در دریاچه‌های ترموکارست متغیر در طول روز و در مدت زمان تعیین کردیم. جوجه کشی با کمال تعجب، برخلاف انتظارات اولیه ما، DOC در تقریباً یک سوم دریاچه های مورد مطالعه به جای کاهش، افزایش یافت. ما در ابتدا مشکوک بودیم که این پدیده ممکن است از اشتباهات در عملیات آزمایشی ما ناشی شود. با این حال، پس از بررسی دوبار گردش کار تحلیلی و تکرار آزمایش‌ها روی زیرمجموعه‌ای از نمونه‌ها، تأیید کردیم که این پدیده واقعاً معتبر است. پس از رد مصنوعات روش شناختی، پروفسور یوانه یانگ، محقق اصلی تیم تحقیقاتی ما، حدس زد که فرآیند شیمیای اتوتروفیک تثبیت کربن ممکن است مسئول تجمع DOC مشاهده شده باشد.

برای آزمایش این نتیجه، من در یک آزمایش ردیابی ایزوتوپی شرکت کردم تا آزمایش کنم که آیا تثبیت کربن شیمیائی اتوتروف در این دریاچه ها رخ داده است یا خیر. با تلاش قابل توجه، ما با پلتفرم آزمایشگاهی ایزوتوپ در موسسه بیوفیزیک، آکادمی علوم چین همکاری کردیم.https://ibp.cas.cn/jg/kypt/dbzkxyj/) و مرکز تجزیه و تحلیل و تست دانشگاه عادی پکن (https://atc.bnu.edu.cn/). با پشتیبانی فنی آنها، ما یک آزمایش ردیاب را با استفاده از بی کربنات نشاندار شده رادیویی (NaH) طراحی و اجرا کردیم¹⁴CO₃). اگرچه سوابق روش‌شناختی محدود بود و چالش‌های عملی در طول اجرا به وجود آمد، آزمایش با موفقیت در طی دو ماه تحت هدایت متخصص به پایان رسید. نتایج تثبیت کربن میکروبی فعال در دریاچه‌های ترموکارست را تأیید می‌کند که مستقیماً با تجمع DOC مشاهده‌شده در طول انکوباسیون مرتبط است. علاوه بر این، با استفاده از qPCR و توالی‌یابی آمپلیکون، دریافتیم که تثبیت کربن شیمی‌ای اتوتروفیک عمدتاً توسط میکروارگانیسم‌های نیتریفیکاسیون از طریق چرخه کالوین-بنسون-باسام انجام می‌شود. بر اساس این یافته ها دست نوشته ای با عنوان «تثبیت کربن شیمی اتوتروف در دریاچه های ترموکارست فلات تبت“.

چگونه نگرانی های بازبینان را برطرف کردیم؟

پس از ارسال این نسخه خطی به ارتباطات طبیعتهر دو بازبین قدردانی کردند که این مطالعه بر فرآیندهای نادیده گرفته شده تأثیرگذار بر چرخه کربن در دریاچه های ترموکارست روشن می کند و پیامدهای اکولوژیکی آن را تصدیق می کنند. با این حال، آنها همچنین دو محدودیت عمده را شناسایی کردند. اولاً، این مطالعه صرفاً بر نمونه‌های آب سطحی متکی بود، اما تثبیت کربن شیمی‌ای اتوتروفیک می‌تواند در سرتاسر ستون آب در طول فصول اتفاق بیفتد، که طراحی نمونه‌برداری را برای پشتیبانی از تعمیم‌های گسترده بسیار ساده‌تر می‌کند. دوم، تکیه بر آغازگرهای خاص برای مسیر تثبیت کربن کلیدی (چرخه کالوین-بنسون-باشم و چرخه 3-هیدروکسی پروپیونات/4-هیدروکسی بوتیرات) ژن ها، به جای رویکرد متاژنومی، توانایی جذب پتانسیل ژنتیکی کامل جامعه را محدود می کند.

برای رسیدگی به نگرانی های بازبینان، تیم تحقیقاتی ما یک کمپین نمونه برداری مجدد جامع را در سال 2024 طراحی و اجرا کرد. به عنوان یک عضو اصلی، یک تیم نمونه برداری را برای جمع آوری نمونه های آب در سراسر ستون آب دریاچه های ترموکارست در طول سه فصل (بهار، تابستان و پاییز) هدایت کردم تا تنوع مکانی و زمانی را به تصویر بکشیم. کار میدانی مملو از چالش های دلهره آور بود، از جمله اختلالات عملیاتی به دلیل مسائل بهداشتی مرتبط با ارتفاع و شرایط جوی شدید مداوم مانند باران و برف شدید. علی‌رغم این موانع، تیم نمونه‌گیری ما کمپین شش ماهه را از مه تا اکتبر 2024 در فلات تبت با موفقیت به پایان رساند.

مناظر دریاچه ترموکارست معمولی واقع در یویون (34.3 ^FrN, 99.2 ^FrE; ارتفاع: 4353 متر در بهار (الف)، تابستان (ب) و پاییز (ج) و نمونه برداری صحرایی (د)، در محل اندازه گیری (e) و عملیات اضطراری (f) (اعتبار: Futing Liu و Luyao Kang).

پس از تکمیل نمونه برداری میدانی، یک سری آنالیز آزمایشگاهی انجام دادیم. ابتدا، یک آزمایش انکوباسیون زیستی برای تعیین تغییر غلظت DOC در نمونه‌های آب جمع‌آوری‌شده در سال 2024 انجام شد که تأیید می‌کند که پدیده تجمع DOC هنوز در دریاچه‌های ترموکارست جزئی در اعماق و فصول مختلف قابل مشاهده است. برای تایید قابلیت اطمینان آزمایش انکوباسیون زیستی که در بالا ذکر شد، آزمایش دیگری با DOC زیست تخریب پذیر مبتنی بر CO انجام دادیم.₂ اندازه گیری و نتایج مشابه با نتایج تعیین شده بر اساس تغییرات غلظت DOC پیدا کرد. این دو خط شواهد وجود یک فرآیند تثبیت C تاریک را در سراسر ستون آب و در طول هر سه فصل ثابت کرد. علاوه بر این، ما انکوباسیون را با بی کربنات نشاندار شده برای ردیابی CO میکروبی انجام دادیم₂ جذب و دریافتند که این فرآیند تثبیت کربن در تمام دریاچه های ترموکارست رخ داده است.

علاوه بر این، ما از توالی‌یابی متاژنومیک استفاده کردیم تا نشان دهیم که چرخه کالوین-بنسون-باشام مسیر تثبیت کربن غالب در بین کمواتوتروف‌ها است که از پنج مسیر شناخته‌شده دیگر بهتر عمل می‌کند. نیتریفیکاسیون به عنوان یک منبع انرژی کلیدی که این فرآیند را هدایت می کند، شناسایی شد، همانطور که با کمی سازی سطوح نیتریفیکاسیون توسط ¹⁵آزمایش انکوباسیون ایزوتوپ N و با مرتبط کردن این نرخ‌ها به فراوانی ژن‌های مرتبط با نیتریفیکاسیون. به طور کلی، این مطالعه از چندین خط شواهد برای تقویت استحکام و تعمیم پذیری فرآیند مشاهده شده استفاده می کند. مهمتر از آن، این مطالعه با نشان دادن این موضوع که تثبیت کربن شیمیای اتوتروفیک، نه کانی سازی DOC، بر دریاچه های ترموکارست جزئی تسلط دارد، دیدگاه مرسوم را به چالش می کشد، مکانیزمی که ممکن است بازخورد آب و هوا از چرخه کربن دائمی منجمد را تعدیل کند. یافته‌های ما نقش حیاتی تثبیت کربن میکروبی را در شکل‌دهی به دینامیک DOC در این دریاچه‌ها برجسته می‌کند و بینش‌هایی را برای درک فرآیندهای اساسی در چرخه کربن دائمی منجمد ارائه می‌دهد.

آزمایشات آزمایشگاهی (اعتبار: Futing Liu و Shuqi Qin)

پس از ارسال مجدد، بازبینان این تجدید نظر را به دلیل دقت استثنایی آن تحسین کردند و خاطرنشان کردند که این مطالعه “اکنون شواهد قوی و پشتیبانی شده ای برای تثبیت کربن شیمیائی اتوتروفیک در دریاچه های ترموکارست ارائه می دهد.” ما صمیمانه از هر دو منتقد به خاطر نظرات سازنده و روشنگرشان که مقاله را بسیار تقویت کرد، تشکر می کنیم. با نگاهی به گذشته، کل سفر تحقیقاتی پر از پیچ و خم بود. از تهیه پیش‌نویس و ارائه یافته‌های جدید با اطمینان تا رد مقاله به دلیل محدودیت‌هایی که بازبینان به آن اشاره کردند، احساسات من از هیجان تا ناامیدی گذشت. با این حال من ثابت قدم ماندم. با کمک فوق العاده اعضای گروه پروفسور یوانه یانگ، نظرات بازبینان را به طور کامل تجزیه و تحلیل کردیم و پروتکل آزمایشی را مطابق با آن اصلاح کردیم. به عنوان نویسنده اول، دوباره تیم را برای نمونه برداری مجدد به میدان بازگرداندم. ارتفاع زیاد، محیط سرد و فقیر از اکسیژن فلات تبت یک چالش فیزیکی جدی است. در طول دوره نمونه‌برداری، برای تامین هزینه‌های خودم به دارو متکی بودم. پس از شش ماه کار میدانی، از سرفه‌های مداوم دو ماهه رنج بردم – نتیجه یک سرمای طولانی مدت ریوی – و تنها پس از درمان توسط چندین پزشک بهبود یافتم. این تجربه فقط یک آزمون سختگیری علمی نبود، بلکه یک آزمون عمیق برای انعطاف پذیری و استقامت بود. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل‌های آزمایشگاهی بعدی چالش‌هایی به همان اندازه بزرگ ایجاد کرد. برای پاسخ به نظرات بازبینان، از تعدادی تکنیک پیشرفته استفاده کردیم، از جمله ¹⁴جوجه کشی با برچسب C برای نمونه های آب، DOC و CO₂سنجش بیوانکوباسیون، توالی یابی متاژنومی و ¹⁵آزمایشات ردیاب ایزوتوپ N هر روش نیازمند بهینه سازی و زمان اجرای قابل توجهی بود. در نهایت، ما تقریباً هجده ماه را به انجام آزمایش‌های میدانی و آزمایش‌های داخلی برای رفع محدودیت‌های اولیه این مطالعه اختصاص دادیم. علیرغم چالش‌های متعدد در طول فرآیند بازنگری، من استقامت کردم و پروژه را با موفقیت به پایان رساندم. شبی که مقاله ما پذیرفته شد، شب بیدار بودم. چیزی که در من فوران کرد بیش از شادی موفقیت بود – این یک تشکر عمیق از اعضای آزمایشگاه بود که در کار تجربی و تحلیلی مشارکت داشتند. همچنین عمیق‌ترین قدردانی خود را از تیم نمونه‌گیری میدانی – Luyao Kang، Ziliang Li، Wei Zhou، Weijie Xu و Xuning Liu – برای پشتکار آنها در شرایط آب و هوایی شدید ابراز می‌کنم. فداکاری آنها برای تکمیل این مطالعه حیاتی بود.

نگاه به جلو

اگرچه ما نقش حیاتی کمواتوتروف ها را در میانجی دینامیک DOC دریاچه های ترموکارست در مناطق همیشه منجمد روشن کرده ایم، نمی دانیم که آیا این یافته ها برای خاک های یخ زده ای که با گرم شدن آب و هوا ذوب می شوند، اعمال می شود. به خوبی شناخته شده است که خاک ها متعلق به یک سیستم با نور محدود هستند، به ویژه در لایه های زیرسطحی که تابش خورشیدی نمی تواند به آن نفوذ کند. علاوه بر این، خاک‌ها حاوی غلظت‌های بالاتری از CO2 نسبت به اتمسفر هستند و با ترکیبات کاهش‌یافته مانند نیتروژن، گوگرد و آهن غنی شده‌اند که به عنوان بسترهای کلیدی و منابع انرژی برای میکروارگانیسم‌های تثبیت‌کننده کربن تیره عمل می‌کنند. شواهد انباشته نشان می دهد که خاک ها نقاط مهمی برای تثبیت کربن تیره میکروبی هستند، جایی که در محیط های شدید که در آن بهره وری گیاه محدود است (از جمله تالاب ها، مراتع خشک و خاک های بیابانی) نقش مهمی ایفا می کند. صرف نظر از اینکه آیا و تا چه حد این فرآیند در اکوسیستم های همیشه منجمد عمل می کند، نامشخص است. با توجه به درک سیستماتیک محدود از این مکانیسم، تثبیت کربن تاریک در حال حاضر از مدل‌های سیستم زمین حذف شده است، که ممکن است غرق کربن اکوسیستم‌های طبیعی را دست کم بگیرد. برای رفع این شکاف، تیم ما قصد دارد یک ارزیابی سیستماتیک از تثبیت کربن شیمی‌آوتوتروفیک در خاک‌های همیشه منجمد فلات تبت انجام دهد، با هدف بهبود درک چرخه کربن دائمی منجمد تحت گرمایش جهانی.