Einfluss des Klimawandels auf das Permafrost-Mikrobiom (CRYOLINK)
Beat Stierli
Joel Rüthi
Gilda Varliero
2017 - 2023
Finanziamento
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 ¶
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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TV-Broadcasting SRF/RTR Cuntrasts, 27th of March 2022: Schmelzen von Permafrost
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Deutschlandfunk (Radio), 4th of December 2021: Folgen des Klimawandels / Die Alpen in Bergnot
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OggiScienza, 25th of November 2021: Vita tra i ghiacci
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Der Spiegel, 25th of September 2021: Die schlummernde Gefahr aus dem Eis. 39: 96-98.
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Neue Zürcher Zeitung (NZZ), 28th of August 2021: Krankheitserreger aus dem Permafrost.
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TV-Broadcasting SRF Einstein, 1st of April 2021: Der Permafrost taut auf: Unberechenbare Gefahr fürs Klima.
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TV-Broadcasting CGTN Europe, 27th of October 2020: What's lurking in these glaciers?
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Swissinfo, online publication, 21th of May 2020: Wird eine neue Pandemie aus dem Eis auftauchen?
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Radio-Broadcasting; SRF2 Radio Wissenschaftsmagazin, 13th of June 2020. Forscher finden neue Bakterienarten im Permafrost
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Swissinfo, online publication, 20th of June 2020: Swiss researchers identify new bacteria in permafrost.
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Tiroler Tageszeitung, Magazin, 28th of June 2020. Viele winzige Dornröschen wachen auf.
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Academic Workshop on mountains and climate change, Invitation of the Swiss Embassy in Belgium, Ghent, 23.01.2020, The Unexplored Alpine Microbiome and their Reactions to Climate Warming.
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TV-Broadcasting with contribution on permafrost microbiology at Gemsstock and laboratory at WSL, (Prime-Time broadcasting Arte, 8/9/2018 um 20:15 Uhr / SWR, 5/4/2019 /ARD (7/4/2019), "Mythos Gotthard: Pass der Pioniere"
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Radio-Broadcasting, Radio SRF2 Wissenschaftsmagazin, 20.01.2018: Beat Frey zur Forschung über Bakterien in Böden "Reges Leben im Boden".
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Tages Anzeiger, 20.3.2016, Eine Schatzkammer auf dem Engadiner Schafberg
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Tages Anzeiger, 20.3.2016, Eine Gletschermikrobe mag es eiskalt. Zürcher Forscher haben eine neue Bakterienart entdeckt, die selbst bei Minustemperaturen wächst.
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TV-Broadcasting, 3SAT, Nano, 12. Oktober 2015 Die Steinwüste lebt
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TV-Broadcasting, Tagesschau SRF, 4. Juli 2015; Bodenforscher finden Mikroorganismen in Gletschern