The abundance of key microbial lineages can be used to predict atmospherically relevant patterns in methane isotopes and the proportion of carbon metabolized to methane during permafrost thaw, suggesting that microbial ecology may be important in ecosystem-scale responses to global change. Thawing of permafrost — the frozen subsoil found in arctic and sub-arctic regions — is seen as a potential cause of soil carbon loss with accompanying emissions of the greenhouse gases methane and carbon dioxide. Carmody McCalley et al. use a natural landscape gradient of permafrost thaw in northern Sweden as a model to investigate the role of microbial communities in regulating methane cycling. They show that the abundance of key microbial lineages can be used to predict atmospherically relevant patterns in methane isotopes and the proportion of carbon metabolized to methane during permafrost thaw, suggesting that microbial ecology can play an important role in the ecosystem-scale responses to global change. Permafrost contains about 50% of the global soil carbon1. It is thought that the thawing of permafrost can lead to a loss of soil carbon in the form of methane and carbon dioxide emissions2,3. The magnitude of the resulting positive climate feedback of such greenhouse gas emissions is still unknown3 and may to a large extent depend on the poorly understood role of microbial community composition in regulating the metabolic processes that drive such ecosystem-scale greenhouse gas fluxes. Here we show that changes in vegetation and increasing methane emissions with permafrost thaw are associated with a switch from hydrogenotrophic to partly acetoclastic methanogenesis, resulting in a large shift in the δ13C signature (10–15‰) of emitted methane. We used a natural landscape gradient of permafrost thaw in northern Sweden4,5 as a model to investigate the role of microbial communities in regulating methane cycling, and to test whether a knowledge of community dynamics could improve predictions of carbon emissions under loss of permafrost. Abundance of the methanogen Candidatus ‘Methanoflorens stordalenmirensis’6 is a key predictor of the shifts in methane isotopes, which in turn predicts the proportions of carbon emitted as methane and as carbon dioxide, an important factor for simulating the climate feedback associated with permafrost thaw in global models3,7. By showing that the abundance of key microbial lineages can be used to predict atmospherically relevant patterns in methane isotopes and the proportion of carbon metabolized to methane during permafrost thaw, we establish a basis for scaling changing microbial communities to ecosystem isotope dynamics. Our findings indicate that microbial ecology may be important in ecosystem-scale responses to global change.

Abstract While wetlands are major sources of biogenic methane (CH 4 ), our understanding of resident microbial metabolisms is incomplete, which compromises prediction of CH 4 emissions under ongoing climate change. Here, we employed genome-resolved multi-omics to expand our understanding of methanogenesis in the thawing permafrost peatland of Stordalen Mire, in arctic Sweden. In quadrupling the genomic representation of the site’s methanogens and examining their encoded metabolisms, we revealed that nearly 20% (72) of the metagenome-assembled genomes (MAGs) encoded potential for methylotrophic methanogenesis. Further, 27% of the transcriptionally active methanogens expressed methylotrophic genes; for Methanosarcinales and Methanobacteriales MAGs, these data indicated use of methylated oxygen compounds (e.g., methanol), while for Methanomassiliicoccales , they primarily implicated methyl sulfides and methylamines. In addition to methanogenic methylotrophy, >1700 bacterial MAGs across 19 phyla encoded anaerobic methylotrophic potential, with expression across 12 phyla. Metabolomic analyses revealed the presence of diverse methylated compounds in the Mire, including some known methylotrophic substrates. Active methylotrophy was observed across all stages of a permafrost thaw gradient in Stordalen, with the most frozen non-methanogenic palsa found to host bacterial methylotrophy, and the partially thawed bog and fully thawed fen seen to house both methanogenic and bacterial methylotrophic activity. Methanogenesis across increasing permafrost thaw is thus revised from sole dominance of hydrogenotrophic production, and the appearance of acetoclastic at full thaw, to consider co-occurrence of methylotrophy throughout. Collectively, these findings indicate that methanogenic and bacterial methylotrophy may be an important and previously underappreciated component of carbon cycling and emissions in these rapidly changing wetland habitats.