Pohřbený, ale ne mrtvý

Typickým půdním typem Arktidy jsou kryosoly, jejichž vznik je ovlivňován střídavým zamrzáním a rozmrzáním, které je spojeno s transportem materiálu a promícháváním půdních vrstev. Podle nejnovějších odhadů obsahují kryosoly dvakrát více uhlíku, než je jeho celkové množství v atmosféře. Při rozmrznutí zamrzlých vrstev a uvolnění živin se zakonzervovaná organická hmota může rozložit činností půdních mikroorganismů a uhlík v ní obsažený se uvolní do atmosféry v podobě CO₂ nebo CH₄ podle toho, jestli rozklad probíhá v aerobních, nebo anaerobních podmínkách. Pokud tedy zmrzlé vrstvy kryosolů roztají, mohou významně přispět k zesílení skleníkového efektu (obr. 1).

Kryosoly oproti půdám našich zeměpisných šířek jsou kvůli působení kryogenních procesů velmi nevyzpytatelné. Neplatí zde klasická závislost mezi množstvím organické hmoty a hloubkou, tedy že čím hlouběji kopneme, tím méně organické hmoty najdeme. V kryosolech nalézáme tisíce let staré, hluboko uložené kapsy plné nerozložené organické hmoty většinou rostlinného původu, které byly při promíchávání vrstev přesunuty do hlubin permafrostu (dále jen kryoturbované horizonty, obr. 2).

V letech 2010 až 2018 se tým vědců ze sedmi zemí (ČR reprezentoval tým Hany Šantrůčkové), vedený Andreasem Richterem z Vídeňské univerzity, vydal hledat tyto kryoturbované horizonty, jejichž výskyt a vlastnosti byly do té doby velmi málo zmapovány. Pět různých expedic čekala v obtížně přístupné tundře sibiřské Arktidy a Grónska nelehká práce – musely během jednoho měsíce odebrat půdní vzorky z řady lokalit. Na samém konci projektů CryoCARB a MiCryoFun měli vědci k dispozici přes 2500 vzorků půdy. Chemické analýzy určily obsah uhlíku a dusíku v půdní organické hmotě; biochemické analýzy určily aktivitu extracelulárních enzymů či rychlost půdních procesů vedoucích k transformaci půdní organické hmoty na CO₂ a CH₄.

Schematické znázornění cyklické závislosti zvyšující se teploty v Arktidě, tání permafrostu a aktivity mikroorganismů.

Ke studiu biologických vlastností byly využity nové genetické a biomarkerové metody, které umožnily velmi přesně určit množství a zastoupení klíčových taxonomických a funkčních skupin mikroorganismů ze všech tří domén života (bakterie, archaea a houby) rozkládajících půdní organickou hmotu.

Analýzy vzorků potvrdily, že přítomnost kryoturbovaných horizontů způsobuje velice nerovnoměrné rozložení organické hmoty napříč půdním profilem, a ukázaly, že i hluboko ponořené kryoturbované vrstvy vykazují vysokou biochemickou a biologickou aktivitu. Detailní mikrobiální analýzy poprvé odhalily, že počty bakterií v kryoturbovaných horizontech velice těsně souvisejí s množstvím uhlíku obsaženého v organické hmotě, podobně jako je tomu v povrchových horizontech. Nehledě na to, zda jde o kryoturbovaný, nebo svrchní půdní horizont, biomasa bakterií vyjádřená na jednotku organického uhlíku byla vždy téměř stejná. Druhové složení bakteriálního společenstva v kryoturbovaných horizontech bylo překvapivě velice podobné druhovému složení společenstva v půdní vrstvě obklopující tento horizont. Přestože byly kryoturbované horizonty kdysi svrchní vrstvou půdy, druhové složení bakteriálního společenstva se postupem času zásadně změnilo. Tato dramatická změna je zřejmě jedním z klíčových faktorů, které způsobily, že se organická hmota kryoturbovaných horizontů rozkládá velice pomalu.

Typický půdní profil (1 × 5 × 1 m) kryosolu (Cherskiy, východní Sibiř, Rusko). Šipky ukazují na tmavé oblasti, tzv. kryoturbované vrstvy bohaté na organický uhlík.

Patrně největší změnou prošel kmen aktinobakterií. Oproti svrchním horizontům se relativní zastoupení aktinobakterií v kryoturbovaných horizontech zvýšilo o 20 %, a to hlavně díky nárůstu velice specifických druhů z čeledi Intrasporangiaceae a třídy Thermoleophilia. Obě tyto skupiny aktinobakterií jsou schopné využívat špatně rozložitelné složky půdní organické hmoty, jakými jsou alifatické a aromatické sloučeniny. Ty byly detekovány ve vyšších koncentracích právě v kryoturbovaných horizontech. Mikrobiální společenstvo, které do kryoturbovaných horizontů migrovalo z okolní půdy, se tedy logicky přizpůsobilo potravní nabídce, kvůli nízké teplotě a anaerobním podmínkám však rozkládá organickou hmotu velice pozvolna.

Vědci také provedli řadu manipulativních experimentů. Jejich cílem bylo zjistit, jakým způsobem se změní rychlost rozkladu půdní organické hmoty následkem předpokládaného zvýšení teploty a související změny vegetace směrem k hluboko kořenícím druhům rostlin (např. drobným keřům z čeledi Erricaceae), které uvolňují do půdy značné množství dusíku ve formě aminokyselin. Tyto experimenty ukázaly, že rychlost rozkladu organické hmoty je v kryoturbovaných horizontech o řád nižší než ve svrchních horizontech a ani zvýšení teploty o 10 °C to nijak významně neovlivní. Naproti tomu zvýšený přísun dusíku ve formě aminokyselin výrazně zrychlil rozklad organické hmoty, a to o několik desítek procent, což jasně indikuje limitaci dusíkem v prostředí, kam kořeny rostlin nemohou prorůstat a kam se dusík ze svrchních částí půdy nevymývá. Půdní mikroorganismy bez dusíku nedokážou růst ani produkovat extracelulární enzymy, jejichž činností se půdní organická hmota rozkládá. Pokud mají půdní mikroorganismy dusíku nedostatek, strádají a rychlost rozkladu organické hmoty se zpomaluje. Klimatické modely předpokládají zvýšení průměrné teploty v Arktidě do roku 2100 o 2 až 5 °C, což bude mít za následek roztání zmrzlých vrstev a postupné změny ve vegetaci. Kořeny hluboko kořenících druhů rostlin mohou prorůst do kryoturbovaných horizontů, „napumpovat“ do nich chybějící dusík, a tak urychlit rozklad v nich uložené organické hmoty a uvolňování značného množství CO₂ do atmosféry. Nikdo ovšem nedokáže předpovědět, do jaké míry bude zvýšené uvolňování CO₂ kompenzováno jeho zvýšenou spotřebou při fotosyntéze nebo zvýšená produkce CH₄ jeho spotřebou metanotrofními mikroorganismy.

Poděkování: Výzkum byl podpořen projekty: CryoCARB (MSM 7E10073 – CryoCARB), projektem GA ČR 16-18453S, SoWa Research Infrastructure (MEYS CZ grant LM2015075 program „Projects of Large Infrastructure for Research, Development and Innovations“).