The role of microbiome in CH₄ and N₂O fluxes in temperate and tropical peatland forests

Abstract

Turbaalad aitavad kliimamuutust leevendada sidudes süsinikku. Soode kuivendamisel eraldub enam kasvuhoonegaase (KHG), nagu süsihappegaas (CO₂), dilämmastikoksiid (N₂O) ja metaan (CH₄), mis soodustavad globaalset kliimasoojenemist ja lõhuvad osoonikihti. Käesolev väitekiri keskendus nii parasvöötme (Eesti) kui troopilise piirkonna (Réunioni saar) soometsadele, et uurida mikroobikooslusi ja nendega seotud KHG voogude dünaamikat. Parasvöötme kuivendatud soometsas olid pikaajalised N₂O emissioonid seotud arhede, bakterite ja seentega, kes osalevad erinevates lämmastikuringe protsessides. N₂O emissioonid olid kõrgemad kevadise külmumise-sulamistsükli ajal. Kui külmunud pealmine mullakiht sulas, suurenes mittetäielik denitrifikatsioon, mille tulemusena tõusis N₂O emissioon. Ilmade soojenedes hakkas N₂O-d tarbivate mikroobide arvukus ületama N₂O tootjaid, mis viis emissioonide vähenemiseni. Samal ajal jäid kevadised mulla CH₄ vood madalaks, kuid puutüvedest hakkas enam CH₄ eralduma. See viitab CH₄ tootmisele sügavamates mullakihtides, mis transporditi mulla alumistest kihtidest juurte kaudu tüvedesse. Troopiliste soometsade mullast eraldus vähe N₂O-d, sest madal pH aeglustas N₂O-d tootvat mittetäielikku denitrifikatsiooni ning N₂O-d tarbivate mikroobide arvukus oli suur. Samas sidusid need mullad CH₄ ja domineerivaks protsessiks oli n-DAMO (nitraadist sõltuv anaeroobne CH₄ oksüdatsioon). Puude tüvedele kogunev lehevaris, surnud taimne materjal ja tolm ehk nn võramuld sisaldas samuti mikroorganisme, kes osalesid KHG vahetuses, viidates sellele, et puude võramuld osaleb aktiivselt biogeokeemilistes tsüklites. Lisaks leiti, et ka lehed sisaldasid mikroobe, kes toodavad CH₄ ja tarbivad N₂O-d. See uurimus toob esile mikroobide olulise, kuid sageli tähelepanuta jääva rolli soometsade KHG-de dünaamikas. Mikroobseid protsesse mõistes on võimalik parandada soometsade majandamist ja kaitset ning prognoosida paremini KHG emissioone nendest ökosüsteemidest. Peatlands help fight climate change by storing carbon and absorbing more than they emit. But when drained, they can start releasing greenhouse gases (GHG) like carbon dioxide (CO₂), nitrous oxide (N₂O), and, sporadically, methane (CH₄), which contribute to global warming, and N₂O can even damage the ozone layer. This dissertation focused on peatland forests in both temperate (Estonia) and tropical (Réunion Island) regions to understand the dynamics of GHG fluxes and the related microbiome. In the temperate drained peatland forest, most of the N₂O emissions occurred during the freeze-thaw period in spring. During the topsoil thaw, incomplete denitrification led to these emissions. However, as the season progressed, the balance of microbial communities shifted, and N₂O-consuming microbes dominated the N₂O-producing ones in abundance, thus reducing the N₂O emissions. Meanwhile, the soil CH₄ fluxes remained low during spring, but tree stems started emitting CH₄, suggesting that CH₄ was being produced in deeper soil layers and transported up through the trees. In tropical peatland cloud forests, the peat soil produced minimal N₂O because of the slow rate of denitrification and a high abundance of N₂O consumers. Meanwhile, these soils absorbed CH₄ via a specific type of CH₄ consumption known as n-DAMO (nitrate-dependent anaerobic methane oxidation). The leaf litter, dead plant material, and dust collected on tree stems (called canopy soils) contained microbes that contribute to GHG exchanges, suggesting that the forest canopy is an active player in biogeochemical cycles. Moreover, leaves in these forests also possessed microbes responsible for producing CH₄ and absorbing N₂O. This research highlights the crucial but often overlooked roles of microbes in peatland forests’ GHG dynamics. By enhancing our understanding of microbial processes in peatland forests, we can improve their management and conservation and better predict future GHG emissions from these ecosystems.