For decades, the microorganisms in arctic soils have been newly discovered according to the climate change and global warming. In this study, the chemical structure of a lipid A molecule from Pseudomonas sp. strain PAMC 28615 which was newly discovered from arctic soils was characterized by mass spectrometric approaches such as matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) and MALDI multi-stage tandem mass spectrometry (MS). First, lipopolysaccharide (LPS) from Pseudomonas sp. strain PAMC 28615 was extracted and subsequently hydrolyzed to obtain the lipid A. The parent ion peak at m/z 1632 was determined by MALDI-TOF MS, which also can validate our lipid A purification method. For detailed structural determination, we performed the multiple-stage tandem mass analysis ($MS^4$) of the parent ion, and subsequently the abundant fragment ions in each MS stage are tested. The fragment ions in each MS stage were produced from the loss of phosphate groups and fatty acyl groups, which could be used to confirm the composition or the position of the lipid A components. Consequently, the mass spectrometry-based lipid A profiling method could provide the detail chemical structure of lipid A from the Pseudomonas sp. strain PAMC 28615 as an arctic bacterium from the frozen arctic soil.
Background: The Arctic permafrost stores enormous amount of carbon (C), about one third of global C stocks. However, drastically increasing temperature in the Arctic makes the stable frozen C stock vulnerable to microbial decomposition. The released carbon dioxide from permafrost can cause accelerating C feedback to the atmosphere. Soil organic matter (SOM) composition would be the basic information to project the trajectory of C under rapidly changing climate. However, not many studies on SOM characterization have been done compared to quantification of SOM stocks. Thus, the purpose of our study is to determine soil properties and molecular compositions of SOM in four different Arctic regions. We collected soils in different soil layers from 1) Cambridge Bay, Canada, 2) Council, Alaska, USA, 3) Svalbard, Norway, and 4) Zackenberg, Greenland. The basic soil properties were measured, and the molecular composition of SOM was analyzed through pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry (py-GC/MS). Results: The Oi layer of soil in Council, Alaska showed the lowest soil pH and the highest electrical conductivity (EC) and SOM content. All soils in each site showed increasing pH and decreasing SOC and EC values with soil depth. Since the Council site was moist acidic tundra compared to other three dry tundra sites, soil properties were distinct from the others: high SOM and EC, and low pH. Through the py-GC/MS analysis, a total of 117 pyrolysis products were detected from 32 soil samples of four different Arctic soils. The first two-axis of the PCA explained 38% of sample variation. While short- and mid-hydrocarbons were associated with mineral layers, lignins and polysaccharides were linked to organic layers of Alaska and Cambridge Bay soil. Conclusions: We conclude that the py-GC/MS results separated soil samples mainly based on the origin of SOM (plants- or microbially-derived). This molecular characteristics of SOM can play a role of controlling SOM degradation to warming. Thus, it should be further investigated how the SOM molecular characteristics have impacts on SOM dynamics through additional laboratory incubation studies and microbial decomposition measurements in the field.
We isolated and identified culturable Arctic bacteria that had inhabited soils around the Korean Arctic Research Station Dasan located at Ny-Alsund, Svalbard, Norway $(79^{\circ}N,\;12^{\circ}E)$. The collected soils were diluted in distilled water; the diluted soil-water was spread on 3M petri-films at Dasan Station. The petri-films were transported to the laboratory at KORDI, and cultured at $4^{\circ}C$. Colonies grown on the petri-films were subsequently cultured on nutrient agar plates at $4^{\circ}C$ every 7 days. The pure colonies were inoculated into nutrient liquid media, genomic DNA was extracted, and phylogenetic analysis was performed on the basis of 165 rDNA sequences. A total of 227 strains of bacteria were isolated. Among them, 16S rDNA sequences of 185 strains were identical with those of known strains isolated in this study, and 42 strains were finally identified. Phylogenetic analysis using 16S rDNA indicated that the 30 strains belonged to Pseudomonas, 7 strains to Arthrobacter, two strains to Flavobacterium, and the remaining to Achromobacter, Pedobacter, and Psychrobacter. Among the 42 strains, 14 bacteria produced protease: they were 6 strains of Pseudomonax, 4 strains of Arthrobater, an Achromobacter strain, 2 strains of Flavobacterium, and a Pedohacter strain. We expect these Arctic bacteria can be used for screening to develop new industrial enzymes that are active at low temperatures.
Understanding soil microbial community structure in the Arctic is essential for predicting the impact of climate change on interactions between organisms living in polar environments. The hypothesis of the present study was that soil microbial communities and soil chemical characteristics would vary depending on their associated plant species and local environments in Arctic mature soils. We analyzed soil bacterial communities and soil chemical characteristics from soil without vegetation (bare soil) and rhizosphere soil of three Arctic plants (Cassiope tetragona [L.] D. Don, Dryas octopetala L. and Silene acaulis [L.] Jacq.) in different local environments (coal-mined site and seashore-adjacent site). We did not observe any clear differences in microbial community structure in samples belonging to different plant rhizospheres; however, samples from different environmental sites had distinct microbial community structure. The samples from coal-mined site had a relatively higher abundance of Bacteroidetes and Firmicutes. On the other hand, Acidobacteria was more prevalent in seashore-adjacent samples. The relative abundance of Proteobacteria and Acidobacteria decreased toward higher soil pH, whereas that of Bacteroidetes and Firmicutes was positively correlated with soil pH. Our results suggest that soil bacterial community dissimilarity can be driven by spatial heterogeneity in deglaciated mature soil. Furthermore, these results indicate that soil microbial composition and relative abundance are more affected by soil pH, an abiotic factor, than plant species, a biotic factor.
북극권과 같은 한대지역의 동상민감성 지반은 계절적 대기 온도 변화 및 설치된 구조물의 온도에 의해 지반의 융기 및 침하 문제가 존재한다. 이러한 동상민감성 지반의 융기 및 침하 방지를 위한 지반안정화 공법으로는 매립 및 치환공법, 열 사이펀 등이 존재한다. 여기서 열 사이펀이란 내부 냉매의 증발, 응축을 반복하며 열 순환을 통해 이상 유동(two-phase flow)의 형태로 냉매가 지반의 온도를 외부로 전달하여 지반 온도를 조절 할 수 있는 공법이다. 본 연구는 이러한 열 사이펀의 성능을 열전도율로 수치화하기 위하여 ABAQUS 내부의 User-subroutine 코딩을 통해 열 사이펀을 지중의 한 열원으로 간주, 경계조건으로 적용시켜 기존 문헌의 열 사이펀 실내모형실험의 온도분포 결과와 비교하여 산정하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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