Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

Lawinenbulletin und Schneesituation
Ausgabe: Di. 18.3., 08:00
Avalanche Bulletin

Einfluss des Klimawandels auf das Permafrost-Mikrobiom (CRYOLINK)

Projektleitung

Beat Frey

Projektmitarbeitende

Beat Stierli
Joel Rüthi
Gilda Varliero

Projektdauer

2017 - 2023

Finanzierung
Beim Graben von Permafrostproben in einer Bodentiefe von 160 cm am Muot da Barba Peider, Pontresina
Beim Graben von Permafrostproben in einer Bodentiefe von 160 cm am Muot da Barba Peider, Pontresina. Foto: Beat Stierli.

Der Alpenraum mit seinen Gletschern und Dauerfrostböden (Permafrost) ist besonders vom Klimawandel betroffen. Auftauen des alpinen Permafrosts und Abschmelzen der Gletscher sind das Ergebnis anhaltend warmer Bedingungen während der letzten Jahre. Lange Zeit wurde Permafrost im Alpenraum als „steriles Geröll“ angesehen, in denen Leben nur bedingt existieren kann. Heutzutage wird zunehmend deutlicher, dass diese Gebiete eine einzigartige Nische für kälteangepasste Mikroorganismen darstellen und angesichts ihrer hohen Anfälligkeit für die globale Erwärmung als empfindliche Ökosysteme betrachtet werden.

Das interdisziplinäre Projekt CryoLink erforscht den Permafrost in den Alpen, der Arktis und der Antarktis als Refugium für mikrobielle Lebensformen. Erstmals wurden Proben aus dem alpinen Permafrost und Gletschereis nach Leben abgesucht. Die Resultate überraschten: bis zu 1000 verschiedene Mikroorganismen und mehrere Hundert Viren wurden gefunden, über viele ist bislang nichts oder nur wenig bekannt. Es ist noch unklar, wie die an die Kälte angepassten Mikroorganismen im Permafrost überleben, wie Zellen Metabolismus und sogar Reproduktion betreiben können. Diese Gemeinschaften verfügen über verschiedene Anpassungsstrategien, um unter Extrembedingungen wie beispielsweise Nährstoffknappheit, geringem bis völlig reduziertem Lichtangebot, tiefen Temperaturen oder geringer Verfügbarkeit an flüssigem Wasser zu überleben.

Diese Mikroorganismen waren Tausende von Jahren im Permafrost und im Eis eingeschlossen. Was wird mit ihnen geschehen, wenn sie durch die globale Erwärmung aus ihrem „Dornröschenschlaf“ geweckt werden? Wenn der Permafrost auftaut, besteht die Gefahr, dass biologische und chemische Stoffe freigesetzt werden, die über Zehn- bis Hunderttausende von Jahren eingeschlossen waren. Wenn diese Bestandteile wieder in die Umwelt gelangen, können sie die Funktion des Ökosystems stören, die Populationen der einheimischen Organismen verringern und die menschliche Gesundheit gefährden.

Wir sehen aber mehr das Potential als die Gefahren und Risiken im lebendigen Permafrost. Permafrost ist ein unerschlossener Lebensraum mit vielen unbekannten mikrobiellen Taxa und hat das Potenzial, neuartige chemische Verbindungen zu enthalten (z. B. antimikrobielle Stoffe, Enzyme für den Polymerabbau). Dieser unermessliche Schatz an unbekannten Mikroorganismen in Eis und Permafrost muss jetzt erforscht werden. Der Permafrostboden wird in den nächsten hundert Jahren durch die Klimaerwärmung verschwinden. Zu diesem Zweck haben wir eine einzigartige Sammlung von Mikroorganismenstämmen (Biobank) angelegt. Diese Sammlung bewahrt Bakterien, Hefen und Pilze aus gefährdeten Regionen wie den Schweizer Alpen und enthält bisher mehr als 3'000 Exemplare. Viele der aus dem Permafrost isolierten Mikroorganismen können eine potenziell neue Quelle für Enzyme und bioaktive Verbindungen darstellen, die der Humanmedizin und der Biotechnologie zugute kommen.

Unsere Biobank ist daher eine wertvolle Ressource, um das Potenzial der Bildung von Naturstoffen sowohl durch Bioaktivitätsassays als auch durch Genom-Mining zu untersuchen. Unsere Kombination aus kulturunabhängigem Mikrobiota-Profiling und gross angelegter Isolierung von Permafrostböden wird es uns ermöglichen, diesen unerforschten Schatz an neuen chemischen Verbindungen zu erschließen, der durch steigende Temperaturen gefährdet ist.

Das Projekt CryoLink wurde vom Schweizerischen Nationalfonds, Swiss Polar Institute und Ernst-Göhner Stiftung an Beat Frey vergeben und startete im Jahr 2017.

Projekte

Langjährige Klimaexperimente zur Erforschung des alpinen Boden-Mikrobioms

Langfristige Klimaexperimente zur Untersuchung der Reaktionen des alpinen Bodenmikrobioms und Bodenfunktionen auf den Klimawandel.

Alpine Mikroorganismen und Klimaerwärmung (AlpBioClimDiv)

Der schnell voranschreitende Klimawandel in den Schweizer Alpen treibt den Gletscherschwund an und taut Permafrost auf. Wir erforschen die Auswirkungen dieser drastischen Veränderungen auf die alpine Biodiversität.

Das Gletschereismikrobiom

Wir erforschen Gletscher als Refugium für mikrobielle Lebensformen in den Schweizer Alpen. Diese Organismen leben Tausende von Jahren im Eis und kommen nun durch die Klimaerwärmung wieder zum Vorschein.

Publikationen

Perez-Mon C., Stierli B., Plötze M., Frey B. (2022) Fast and persistent responses of alpine permafrost microbial communities to in situ warming. Sci. Total Environ. 807, 150720 (15 pp.). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150720Institutional Repository DORA

Frey B., Varliero G., Qi W., Stierli B., Walthert L., Brunner I. (2022) Shotgun metagenomics of deep forest soil layers show evidence of altered microbial genetic potential for biogeochemical cycling. Front. Microbiol. 13, 828977 (18 pp.). https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.828977Institutional Repository DORA

Hicks L.C., Frey B., Kjøller R., Lukac M., Moora M., Weedon J.T., Rousk J. (2022) Toward a function-first framework to make soil microbial ecology predictive. Ecology. 103(2), e03594 (9 pp.). https://doi.org/10.1002/ecy.3594Institutional Repository DORA

Robinson S.I., O’Gorman E.J., Frey B., Hagner M., Mikola J. (2022) Soil organic matter, rather than temperature, determines the structure and functioning of subarctic decomposer communities. Glob. Chang. Biol. 28(12), 3929-3943. https://doi.org/10.1111/gcb.16158 Institutional Repository DORA

Donhauser J., Qi W., Bergk-Pinto B., Frey B. (2021) High temperatures enhance the microbial genetic potential to recycle C and N from necromass in high-mountain soils. Glob. Chang. Biol. 27(7), 1365-1386. https://doi.org/10.1111/gcb.15492 Institutional Repository DORA

de Vries F.T., Thion C., Bahn M., Bergk Pinto B., Cécillon S., Frey B., … Bardgett R.D. (2021) Glacier forelands reveal fundamental plant and microbial controls on short-term ecosystem nitrogen retention. J. Ecol. 109(10), 3710-3723. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13748 Institutional Repository DORA

Frey B., Walthert L., Perez-Mon C., Stierli B., Köchli R., Dharmarajah A., Brunner I. (2021) Deep soil layers of drought-exposed forests harbor poorly known bacterial and fungal communities. Front. Microbiol. 12, 674160 (21 pp.). https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.674160Institutional Repository DORA

Perez-Mon C., Qi W., Vikram S., Frossard A., Makhalanyane T., Cowan D., Frey B. (2021) Shotgun metagenomics reveals distinct functional diversity and metabolic capabilities between 12 000-year-old permafrost and active layers on Muot da Barba Peider (Swiss Alps). Microb. Genom. 7(4), 000558 (13 pp.). https://doi.org/10.1099/mgen.0.000558Institutional Repository DORA

Adamczyk M., Rüthi J., Frey B. (2021) Root exudates increase soil respiration and alter microbial community structure in alpine permafrost and active layer soils. Environ. Microbiol. 23(4), 2152-2168. https://doi.org/10.1111/1462-2920.15383 Institutional Repository DORA

Frey B. (2021) Microbial ecology of mountain permafrost: the Alps. In S. Liebner & L. Ganzert (Eds.), Life in extreme environments: Vol. 7. Microbial life in the cryosphere and Its feedback on global change. Berlin: de Gruyter. 153-172. https://doi.org/10.1515/9783110497083-007 Institutional Repository DORA

Frossard A., De Maeyer L., Adamczyk M., Svenning M., Verleyen E., Frey B. (2021) Microbial carbon use and associated changes in microbial community structure in high-Arctic tundra soils under elevated temperature. Soil Biol. Biochem. 162, 108419 (11 pp.). https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108419Institutional Repository DORA

Adamczyk M., Perez-Mon C., Gunz S., Frey B. (2020) Strong shifts in microbial community structure are associated with increased litter input rather than temperature in High Arctic soils. Soil Biol. Biochem. 151, 108054 (14 pp.). https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108054Institutional Repository DORA

Donhauser J., Niklaus P.A., Rousk J., Larose C., Frey B. (2020) Temperatures beyond the community optimum promote the dominance of heat-adapted, fast growing and stress resistant bacteria in alpine soils. Soil Biol. Biochem. 148, 107873 (16 pp.). https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107873Institutional Repository DORA

Rüthi J., Bölsterli D., Pardi-Comensoli L., Brunner I., Frey B. (2020) The "plastisphere" of biodegradable plastics is characterized by specific microbial taxa of Alpine and Arctic soils. Front. Environ. Sci. 8, 562263 (23 pp.). https://doi.org/10.3389/fenvs.2020.562263Institutional Repository DORA

Perez-Mon C., Frey B., Frossard A. (2020) Functional and structural responses of Arctic and alpine soil prokaryotic and fungal communities under freeze-thaw cycles of different frequencies. Front. Microbiol. 11, 982 (14 pp.). https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00982Institutional Repository DORA

Pontes A., Ruethi J., Frey B., Aires A., Thomas A., Overy D., … Sampaio J.P. (2020) Cryolevonia gen. nov. and Cryolevonia schafbergensis sp. nov., a cryophilic yeast from ancient permafrost and melted sea ice. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 70(4), 2334-2338. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004040 Institutional Repository DORA

Wojcik R., Donhauser J., Frey B., Benning L.G. (2020) Time since deglaciation and geomorphological disturbances determine the patterns of geochemical, mineralogical and microbial successions in an Icelandic foreland. Geoderma. 379, 114578 (14 pp.). https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114578Institutional Repository DORA

Pushkareva E., Eckhardt K.U., Hotter V., Frossard A., Leinweber P., Frey B., Karsten U. (2020) Chemical composition of soil organic matter and potential enzyme activity in the topsoil along a moisture gradient in the High Arctic (Svalbard). Geoderma. 368, 114304 (9 pp.). https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114304Institutional Repository DORA

Luláková P., Perez-Mon C., Šantrůčková H., Ruethi J., Frey B. (2019) High-alpine permafrost and active-layer soil microbiomes differ in their response to elevated temperatures. Front. Microbiol. 10, 668 (16 pp.). https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00668Institutional Repository DORA

Adamczyk M., Hagedorn F., Wipf S., Donhauser J., Vittoz P., Rixen C., … Frey B. (2019) The soil microbiome of GLORIA mountain summits in the Swiss Alps. Front. Microbiol. 10, 1080 (21 pp.). https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01080Institutional Repository DORA

Kern R., Hotter V., Frossard A., Albrecht M., Baum C., Tytgat B., … Karsten U. (2019) Comparative vegetation survey with focus on cryptogamic covers in the high Arctic along two differing catenas. Polar Biol. 42(11), 2131-2145. https://doi.org/10.1007/s00300-019-02588-z Institutional Repository DORA

Mondini A., Donhauser J., Itcus C., Marin C., Perșoiu A., Lavin P., … Purcarea C. (2018) High-throughput sequencing of fungal communities across the perennial ice block of Scărișoara Ice Cave. Ann. Glaciol. 59(77), 134-146. https://doi.org/10.1017/aog.2019.6 Institutional Repository DORA

Donhauser J., Frey B. (2018) Alpine soil microbial ecology in a changing world. FEMS Microbiol. Ecol. 94(9), 099 (34 pp.). https://doi.org/10.1093/femsec/fiy099Institutional Repository DORA

Wojcik R., Donhauser J., Frey B., Holm S., Holland A., Anesio A.M., … Benning L.G. (2018) Linkages between geochemistry and microbiology in a proglacial terrain in the High Arctic. Ann. Glaciol. 59(77), 95-110. https://doi.org/10.1017/aog.2019.1 Institutional Repository DORA

Frey B., Rime T., Phillips M., Stierli B., Hajdas I., Widmer F., Hartmann M. (2016) Microbial diversity in European alpine permafrost and active layers. FEMS Microbiol. Ecol. 92(3), 018 (17 pp.). https://doi.org/10.1093/femsec/fiw018Institutional Repository DORA

Rime T., Hartmann M., Frey B. (2016) Potential sources of microbial colonizers in an initial soil ecosystem after retreat of an alpine glacier. ISME J. 10(7), 1625-1641. https://doi.org/10.1038/ismej.2015.238 Institutional Repository DORA

Rime T., Hartmann M., Stierli B., Anesio A.M., Frey B. (2016) Assimilation of microbial and plant carbon by active prokaryotic and fungal populations in glacial forefields. Soil Biol. Biochem. 98, 30-41. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.03.012 Institutional Repository DORA

Frasson D., Udovicic M., Frey B., Lapanje A., Zhang D.C., Margesin R., Sievers M. (2015) Glaciimonas alpina sp. nov. isolated from alpine glaciers and reclassification of Glaciimonas immobilis Cr9-12 as the type strain of Glaciimonas alpina sp. nov. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 65(6), 1779-1785. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000174 Institutional Repository DORA

Rime T., Hartmann M., Brunner I., Widmer F., Zeyer J., Frey B. (2015) Vertical distribution of the soil microbiota along a successional gradient in a glacier forefield. Mol. Ecol. 24(5), 1091-1108. https://doi.org/10.1111/mec.13051 Institutional Repository DORA

Beiträge in Medien wie Zeitungen, TV und Radio

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