Global oppvarming er et av nåtidens viktigste problem. Nye beregninger viser at temperaturen, som har økt jevnt siden den industrielle revolusjon, forventes å være minst fire grader høyere innen år 2100.

En av årsakene til global oppvarming er karbonforurensning, spesielt karbondioksid (CO₂) som fanger sollyset og dermed øker temperaturen. CO₂ er en av klimagassene i atmosfæren som bidrar til drivhuseffekten, altså oppvarmingen av jordens overflate. Andre drivhusgasser som metan spiller også en stor rolle i denne prosessen. Selv om det er mindre metan enn CO₂, har atmosfæriske nivåer av metan økt med 150 prosent siden industrialiseringen.

Og det vil bli enda mer av denne gassen når isbreene krymper og trekker seg tilbake.

Metan dannes under isbreene

Under isbreene som dekker ti prosent av Jordas landområder hersker det tøffe forhold for organismene som lever der. Her er det totalt mangel på oksygen og lys. Det er også svært lite næringsstoffer tilgjengelig.  Men, noen enkle stoffer som eddiksyre (acetat), CO₂ og hydrogen finnes som resultat av forvitring av stein og enkle gjæringsprosesser.

Disse stoffene kan faktisk noen mikrober bruke for å lage metan. Metan er en farge- og luktfri gass som blir produsert av en gruppe mikrober vi kaller metanogene. Disse mikrobene lever i miljø hvor det ikke er oksygen til stede. Metan kan dannes på to ulike måter, enten ved å spalte eddiksyre (acetat) til CO₂ og metan, eller ved å koble CO₂ og hydrogen til metan og vann. Begge disse prosessene kan foregå under isbreen.

Når isbreen trekker seg tilbake kan denne metangassen frigjøres til atmosfæren. Men den kan også fungere som næring for en annen type mikrober, nemlig de metanoksiderende. Disse kan omdanne metan til CO₂ og vann. I motsetning til de metanogene mikrobene krever de metanoksiderende at det er oksygen til stede i jorden.

Det er helt spesielle mikrober som tilhører de metanogene. Disse heter Arker, og blir ofte kalt urbakterier. Dette er organismer som man antar var til stede tidlig på jorden da livet utviklet seg under en atmosfære helt fri for oksygen. De metanoksiderende mikrobene tilhører en helt annen gruppe, som kalles bakterier (Proteobakterier og Verrucomicrobium).

Styggedalsbreen som laboratorium

I mitt doktorgradsarbeid har jeg studert hvordan mikrobene reagerer på økt temperatur og økte metankonsentrasjoner i området foran Styggedalsbreen.

Styggedalsbreen er en liten isbre som ligger i den vestre del av Jotunheimen. På lik linje med mange andre isbreer har denne blitt mindre. Brefronten har trukket seg dramatisk tilbake etter Den lille istid.  Den lille istid er en betegnelse på den globale kalde periode, preget av kjøligere og mer ekstreme klima, som endte rundt år 1750 i Skandinavia.

Området foran Styggedalsbreen er derfor et nydannet jordsmonn som tidligere ikke er eksponert for atmosfæriske forhold. Det er et ideelt område for å studere effektene av økt temperatur og økte klimagasser. Det at isen har trukket seg tilbake gjør at det er enkelt å komme til området om sommeren, samtidig som det gir muligheten til å koble effekten på det mikrobielle samfunn over en lang tidsskala basert på datering av morener.

For å gjennomføre disse studiene ble det samlet inn prøver fra åtte ulike steder i forkant av isbreen. Samtidig ble det plassert ut plastkamre på de samme stedene for å måle variasjoner i metankonsentrasjoner, eller det vi kaller gassfluxer. Dette er den første studien av denne typen som blir gjort i nærhet av en norsk isbre.

Mikrobene reagerer på økt temperatur

Resultater fra våre studier viste at mikrobesammensettningen (mikrobesamfunnene) varierte mellom de ulike prøvepunktene. I områdene nær isbreen der jorda nærmest kan karakteriseres som silt og stein og hvor det ikke var synlig vegetasjon, målte vi lave konsentrasjon av næringsstoffer, og påviste det vi kan kalle stein-etende mikrober (Beta Proteobakterier).

Dette var i og for seg ikke spesielt overraskende siden noen av disse er godt tilpasset for å leve og vokse under ekstreme forhold med lite næringsstoffer tilgjengelig. Mange av disse mikrobene karakteriseres altså som stein-etende. Disse kan omdanne uorganiske forbindelser ved å binde CO₂ og dermed lage organiske forbindelser som mange flere organismer kan nyttiggjøre seg. Vi kaller ofte slike organismer primærprodusenter. Disse første organismene danner det vi kan kalle et pionersamfunn. Dette samfunnet utvikler seg videre gjennom en serie med forandringer. Og ender i et modent, stabilt og sammensatt klimakssamfunn. Dette skyldes at organismene endrer miljøet og derved legger grunnlaget for neste forandring.

De eldre jordprøvene med lengre avstand fra isbreen var mer komplekse. Her kunne vi se en tett vegetasjon, jordtypen var mer organisk med en karakteristisk brun farge. I disse prøvene var det færre stein-etende Beta Proteobakterier, og flere mikrober som kan leve av å bryte ned det organiske materialet i jorden. Det resulterte i en mer jevnt fordelt diversitet av mikrober.

Inkubasjonsforsøkene med plastkamrene langs denne tidsgradienten viste at effekten av økninger i jordtemperaturen endret den mikrobielle samfunnssammensetningen betydelig bare i løpet av én uke. Spesielt kunne vi måle dette i de yngste jordprøvene. I disse prøvene fant vi en hurtig reduksjon av Beta Proteobakteriene. Samtidig, økte andre grupper i antall slik som de metanoksiderende mikrobene (Alpha Proteobakterier og Gamma Proteobakterier) og ble dominerende.  

De metanoksiderende ser derfor ut å være bedre rustet til å tåle økte temperaturer og klimaendringer.

Metanoksiderende mikrobers responser på økt metankonsentrasjoner

Økt temperatur endrer altså den mikrobielle samfunnssammensetningen. Økt i temperatur blir ofte sett i sammenheng med en økninger i drivhusgasser slik som metan og CO₂. De metanoksiderende bakteriene spiller altså en viktig rolle for å dempe den globale oppvarmingen, og minske atmosfæriske utslipp av metan. Atmosfæriske metankonsentrasjoner har økt i løpet av de siste årene og derfor er det viktig å forstå hvilken påvirkning den fremtidige økningen av metan vil ha på de metanoksiderende bakteriene. Vi ønsket derfor også å undersøke hvilke effekt økte konsentrasjoner av metan ville ha på aktiviteten og sammensetningen av de metanoksiderende bakteriene.

Våre resultater viste at den relative mengden av metanoksiderende bakterier (Alpha Proteobakterier og Gamma Proteobakterier) økte med økende avstand fra brefronten. Dette resultatet stemmer godt overens med mengden av metan som ble brutt ned (oksidert). Områdene nærmest brefronten viste lavest metanforbruk mens prøven lengst fra brefronten viste det høyeste metanforbruket. Vi observerte også at metanforbruket økte under den snøfrie perioden, og det høyeste metanforbruket var i september.

Genetiske analyser av arvestoffet til de metanoksiderende bakteriene viste at i området foran Styggedalsbreen var det totalt kun tolv ulike metanoksiderende bakterier, som til sammen utgjorde mer enn 80 prosent av den totale mengden metanoksiderende bakterier. Den laveste diversiteten av metanoksiderende bakterier ble funnet i nærheten av isbreen og den høyeste diversiteten ble funnet lengre borte fra isbreen

Det som er interessant er at de metanoksiderende bakterier kan sies å være stedsspesifikke. De metanoksiderende bakteriene som var til stede nærmest isbreen, ikke ble funnet i området lengst vekk fra isbreen. Det var ingen av de samme metanoksiderende bakteriene som ble funnet langs hele tidsgradienten. Dette betyr at det er ulike metanoksiderende bakterier som er ansvarlig for å fjerne metan fra jorden og dempe utslipp til atmosfæren. Vi observerte også at når vi økte den atmosfæriske metankonsentrasjonen så resulterte dette i en nedgang av diversiteten av de metanoksiderende bakteriene, men de som var til stede økte i antall.

Denne studien bidrar til å forbedre vår kunnskap om effektene av økt temperatur og økte konsentrasjoner av metan på mikrobene som lever i disse økosystemene. Først når vi vet mer om hvordan disse organismene reagerer på menneskeskapte påvirkninger, kan vi forstå hvilke konsekvenser dette har i de store globale sammenhengene