湿地微生物如何影响全球气候

苏珊娜·特林奇从卡车后面抓起一双绿色橡胶靴，穿上后涉水进入一个豌豆色的池塘，直到小腿深。我们离谷歌在加州山景城的主要园区只有几英里，但从我们站的地方看，硅谷的城市蔓延只是一个模糊的、朦胧的影子。细长的鸟儿在池塘岸边匆匆跑过；芦苇草和静止的水面一直延伸到地平线。

“这里真的很泥泞，”美国能源部联合基因组研究所的环境微生物学家特林奇说。“每走一步都会陷进去。”她弯下腰采集了一个浑浊的水样，然后举起杯子对着光看。

“这看起来真恶心，”特林奇实验室的博士后研究员苏茜·泰鲁克斯笑着说，她一看到粘稠的污泥仍然会皱眉头。

特林奇和泰鲁克斯正在采集的湿地淤泥不仅仅是普通的泥。它含有加工二氧化碳的微生物，这些微生物在全球气候变化动态中发挥着关键作用。湿地被广泛认为是一种天然的污染物过滤器，也是尤马鸻、鹤和最小燕鸥等濒危物种的栖息地。但它们也是碳循环的关键组成部分：尽管湿地仅占地球表面的约 3%，却占土壤碳储存量的 30%。然而，一些湿地微生物会分泌另一种强效温室气体——甲烷，这可能会抵消从大气中清除二氧化碳的部分益处。特林奇正在试图确定湿地究竟在多大程度上帮助抵消了气候变化。

根据美国鱼类及野生动物管理局的一项研究，由于开发和海平面上升，美国每年损失超过 80,000 英亩湿地。根据《清洁水法》的要求，为了弥补这些损失，政府每年投资至少 39 亿美元用于恢复退化的湿地或新建湿地，以实现湿地面积每年净增加 100,000 英亩。通过记录湿地微生物的生物学功能，特林奇将了解这些微小生物如何影响温室气体方程，并最终能够帮助恢复专家以一种增强气候效益的方式设计项目。

“更好地了解湿地微生物群落可能会提高我们最大限度地提高这些栖息地碳储存能力，”加州南湾盐沼恢复项目经理约翰·布尔吉斯说。

一项艰巨的任务

为了弄清楚湿地中的微生物过程是如何工作的，特林奇和她的团队正在建立一个湿地微生物目录以及它们执行的生物学任务。“我们一直在很多地方收集样本来分析 DNA 和 RNA，”特林奇说。“我们正在生成湿地的宏基因组。”

特林奇在 2006 年加入联合基因组研究所后，开始探索在湿地中分离微生物功能的想法。她知道，对给定湿地区域中的每一种微生物进行完整的基因组测序将是一项艰巨的任务；所需的计算能力是惊人的，而且许多微生物在实验室培养中存活不长。

但得益于 2000 年代中期在劳伦斯伯克利国家实验室与遗传学家爱德华·鲁宾的博士后研究经历，特林奇找到了一个潜在的解决方案。鲁宾向她介绍了当时还是一门新兴学科的宏基因组学，该学科涉及对给定地点所有微生物的集体基因组进行测序。

为了进行这种测序，科学家们使用化学物质从环境样本（例如一杯脏水）中提取遗传物质，该样本通常包含许多不同的生物。他们将提取材料的克隆片段通过测序仪，测序仪会读出构成每个短片段的氮、糖和磷酸碱基。将这些片段重新组合后，它们会揭示样本中数百万个微生物的独特基因序列。结果：对微生物群落及其在生态系统中执行的每种功能的广泛概览。

这种方法被证明非常适合：它为特林奇提供了湿地微生物群落中存在的生物过程的广泛快照。例如，如果她发现大量控制封存二氧化碳过程的基因，那么该湿地可能具有很高的碳储存潜力。但如果她发现许多编码甲烷生产过程的基因，那么该湿地可能正在向大气中排放大量的这种强效温室气体。

微生物之谜

然而，在特林奇的团队能够进行基因分析之前，他们必须获得原始材料。当我们站在盐沼岸边，正午的阳光炙烤着大地，泰鲁克斯挥舞着一根看起来像粗大的吹管的 3 英尺长的仪器。“这就是我们称之为‘完整取样器’的东西，”她解释道。“它能保持土壤样本的原状。”她穿着一双涉水裤，踉跄着走进池塘。她将取样器的末端浸入水中，转动刀片组件，从底部拉出一个样本。它的外观和稠度像巧克力冰淇淋，但闻起来像坏口气。泰鲁克斯将泥浆转移到罐子里，以便在实验室通过 DNA 和 RNA 测序仪进行处理。

特林奇的采样发现了一些证据，表明某些景观特征会以影响温室气体排放和碳储存的方式影响微生物种群。例如，盐度较高的湿地区域往往吸引甲烷排放量较低的微生物群落，而水流更活跃的区域也是如此。“我们开始能够预测哪些地点产生的甲烷可能更多或更少，”特林奇说。“我们可能会说‘这里最好有很多淡水涌入。’”特林奇和她的团队最初认为，有机物含量高的湿地土壤可能会吸引产甲烷微生物，但他们后来发现情况并非如此——这意味着它可能非常适合恢复项目。

然而，令她惊讶的是，特林奇还发现，恢复的湿地所容纳的微生物群落比未受干扰的湿地所容纳的微生物群落产甲烷的速率更高。特林奇推测，恢复湿地中植物生长速度更快可能加速了排放甲烷的生物过程。

但她表示，这并不意味着不应该恢复湿地。特林奇认为，这些湿地可能不会长时间维持高甲烷产量。她认为，随着最初的快速植物生长趋于平稳，微生物群落的甲烷产量也会减慢——与此同时，湿地仍在储存大量的碳。“如果它们在未来几个世纪内是碳汇，它们就能弥补前几年看到的甲烷排放，”她说。

数据仍然有限，因此特林奇无法确定湿地恢复规划者如何才能最好地限制排放，同时保持碳储存过程完整。她和她的团队正在计划更多的采样任务来扩展他们的基因组“万事通”。

最终，特林奇希望创建计算机模拟，让湿地专家能够分析各种恢复策略的潜在温室气体影响，例如调整盐度、引入流动的水或添加植物。但比塑造湿地的环境遗产更让特林奇兴奋的是，她正在绘制一个长期以来笼罩在神秘中的微生物宇宙的地图。

“我们使用的类比是人类基因组。如今，大多数医学研究都严重依赖它，但人们不会想到它必须被生成，”她说。“如果你有一个更好的蓝图，你将有更大的机会真正理解湿地。”

本文最初以“小型奇迹”为题印刷。