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气候变化下的南极菲尔德斯半岛生态系统研究取得进展

发布日期:2022-11-22 09:23:17

气候变化下的南极菲尔德斯半岛生态系统研究取得进展


        气候变化导致的南极冰川退缩将改变南极无冰地区的范围和结构,并深刻影响无冰区和近岸海域生态系统的结构与功能,但影响范围与程度尚待深入探究。预计在气候变化最严峻的情况下 (RCP8.5),到21世纪末,冰川融化导致南极无冰地区的面积可能会增加2,100~17, 267 km²,增幅接近25%。对南极半岛而言,若在RCP8.5情境下,无冰总面积将增加三倍。气候变化、冰川融化和退缩对南极本土生物的生存、演替以及多样性的影响迫切需要科学观测与研究。

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图1. 左图:南极菲尔德斯半岛柯林斯冰盖前缘退缩。根据TanDem-X卫星对地观测数据显示:小冰期(LIA)~1989年退缩面积为0.9 km²,而1989-2018年退缩面积为0.7 km²。据模型评估,受全球气候变暖影响,柯林斯冰盖到2030年将失去总面积的5%(0.9 km²),2050年将失去21%(3.6 km²),至2070将失去35%(5.9 km²)(Petsch et al 2020)。右图:南极菲尔德斯半岛夏季科考期间,开展柯林斯冰盖前缘的湖泊生态要素科学观测。


      未来随着南极无冰地区逐步增加与相互融合,极地物种的生态分布特征将发生深刻变化,甚至跨越生物地理分布鸿沟;对冰川前缘湖泊、近岸海域、土壤、植被等不同生境及其生态发育演化过程展开长期观测研究,有助于我们深入了解气候变化对南极生态系统演替的影响。与此同时,冰盖及冰川前缘拥有独特和巨大的微生物资源宝库,研究这些特殊生境下的微生物群落,将有利于人们发现和利用新的微生物物种及功能,并加深对气候变化影响的理解。因此,气候变化下冰川退缩对南极生态系统,尤其是对陆地与近岸海域生物多样性及生态系统的影响,也是我们认知并更好地保护南极必须要深入的科学研究领域。

气候变化下的南极菲尔德斯半岛生态系统研究取得进展_Final776

图2. 冰川融水下的生态系统 (modified by 罗玮,任泽 & James Elser)


      近日,通过对南极湖泊中的浮游真核微型生物和湖泊水环境的多年连续观测,自然资源部极地科学重点实验室极地微生物与生物地球化学研究团队联合中国科学院水生生物研究所毕永红研究员团队,采用SSU rRNA高通量测序技术,结合生态学和统计学方法,探究了5个冰川前缘淡水湖泊中浮游真核微型生物的多样性和群落组装过程。


      研究团队将中国第34次、35次、36次南极长城站度夏科学考察期间获取的菲尔德斯半岛区域5个贫营养型湖泊水环境数据要素,浮游真核微型生物多样性数据进行分析处理。研究结果显示相比较于其他研究区域,南极淡水湖泊中具有较低的浮游真核微型生物多样性(物种丰富度:113-268,Shannon 指数: 1.70-3.50)。主要的优势类群为金藻,绿藻和隐藻。水环境变量解释了约39%的群落结构变化,其中水温和正磷酸盐被确定为驱动群落动态的重要因素(P<0.05)。物种共现网络表现出全面的共现关系(正相关82%,负相关18%),同时也阐明了随机过程在塑造该地区浮游真核微型生物群落的重要性。本研究有助于加深对南极冰盖前缘寡营养湖泊中微生物群落动态模式和组装过程的科学认知。


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图3 . 5个南极寡营养型湖泊中浮游真核微型生物的群落组成与多样性

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图4. 南极湖泊中浮游真核微型生物的共现网络与组装过程


      该研究成果发表在Biogeosciences(JCR 1区,生态学)上,论文第一作者为极地中心与中科院水生所联合指导博士研究生张春梅,通讯作者为极地中心罗玮研究员和水生所毕永红研究员。研究工作得到了国家自然科学基金项目(91851201、31971477)的支持。与此同时,极地中心研究团队与北京师范大学任泽副教授团队(获自然资源部极地科学重点实验室开放基金资助)合作,共同关注两极、青藏高原地区冰川退缩对冰川前缘湖泊生态系统之间的影响及异同,相关成果分别以极地中心作为通讯作者单位发表于Environmental Pollution (JCR 1区,环境科学)、Frontiers in Microbiology (JCR 1 区,微生物学)上。


      依托南极长城生态国家野外科学观测研究站,极地中心研究团队在南极菲尔德斯半岛为代表的极地陆地与近岸生态系统中,构建围绕“水-土-气-生”等各主要生态要素的常年科学观测系统,对极地近岸海域、湖泊、陆地、雪冰等生境样品开展了典型性微生物群落结构分析,掌握主要生态类群(细菌、古菌、浮游植物、雪藻等)的生物多样性及一些优势类群的小尺度年际变化特征。关注极地气候变化对冰盖退缩前缘的无冰区生物圈的影响机制。



研究团队相关成果链接:


1)Zhang et al., 2022. Diversity and assembly processes of microbial eukaryotic communities in Fildes Peninsula Lakes (West Antarctica). Biogeosciences. 19. 4639-4654. https://doi.org/10.5194/bg-19-4639-2022.

2)Ren et al., 2022. Metagenomic analysis reveals the diversity and distribution of antibiotic resistance genes in thermokarst lakes of the Yellow River Source Area. Environmental Pollution. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120102.

3)Ren et al., 2022. Rare bacterial biospheres are more environmental controlled and deterministically governed than abundant ones in sediment of thermokarst lakes across the Qinghai-Tibet Plateau. Frontiers in Microbiology. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.944646

4)Ren Z et al., 2022. Bacterial communities in surface and basal ice of a glacier terminus in the headwaters of Yangtze River on the Qinghai-Tibet Plateau. Environmental Microbiome, 17: e12.

5)Zeng et al., 2022. Gene Transfer Agent g5 Gene Reveals Bipolar and Endemic Distribution of Roseobacter Clade Members in Polar Coastal Seawater. Diversity, 14.392.  https://doi.org/10.3390/d14050392

6)Zeng et al., 2021. Comparison of Gut Microbiota between Gentoo and Adélie Penguins Breeding Sympatrically on Antarctic Ardley Island as Revealed by Fecal DNA Sequencing. Diversity. 13.500. https://doi.org/10.3390/d13100500.

7)Luo et al., 2020. Molecular Diversity of the Microbial Community in Coloured snow from the Fildes Peninsula (King George Island, Maritime Antarctica). Polar Biology. 43: 1391-1405. https://doi.org/10.1007/s00300-020-02716-0

8)Zeng et al., 2019. Diversity of Dimethylsulfoniopropionate Degradation Genes Reveals the Significance of Marine Roseobacter Clade in Sulfur Metabolism in Coastal Areas of Antarctic Maxwell Bay. Current Microbiology. 76:967-974. https://doi.org/10.1007/s00284-019-01709-5

9)He et al., 2019.Pedobacter changchengzhani sp.nov., isolated from soil of Antarctica. Antonie van Leeuwenhoek. https://doi.org/10.1007/s10482-019-01305-4

10)Zeng 2019. Phylogenetic diversity of dimethylsulfoniopropionate dependent demethylase gene dmdA in distantly related bacteria isolated from Arctic and Antarctic marine environment. Acta Oceanol Sin. 38(8):64-71. https://doi.org/10.1007/s13131-019-1393-7

11)Luo et al., 2016. Molecular Diversity of microbial eukaryotes in sea water from Fildes Peninsula, King George Island, Antarctica. Polar Biology. 39:605-616. https://doi.org/10.1007/s00300-015-1815-8


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