Microbii care se hrănesc cu metan în ocean joacă un rol important în modularea temperaturii Pământului

Microbii care consumă metan ajută la reglarea temperaturilor Pământului cu rate metabolice semnificativ ridicate în roci de carbonat de pe fundul mării.

Metanul este un puternic gaz cu efect de seră care joacă un rol major în climatul Pământului. De fiecare dată când folosim gaz natural, fie că aprindem o sobă de bucătărie sau un grătar, folosim metan.

Doar trei surse de pe Pământ produc metan în mod natural: vulcani, interacțiuni cu apa subterană și roci și microbi. Printre aceste trei surse, cele mai multe sunt generate de microbi, care au determinat depunerea a sute de gigatoni de metan pe fundul mării. Pe măsură ce metanul se scufundă pe fundul mării, acesta se scurge în sus către oceanul deschis, iar comunitățile microbiene consumă majoritatea acestui metan înainte de a ajunge în atmosferă. De-a lungul anilor, cercetătorii au găsit din ce în ce mai mult metan sub fundul mării, dar foarte puțin din acesta părăsește oceanele și intră în atmosferă. Unde se duc restul?

O echipă de cercetători condusă de Jeffrey J. Marlowe, fost cercetător postdoctoral în biologie organică și evolutivă la Universitatea Harvard, a descoperit comunități microbiene care consumă rapid metan, împiedicând evadarea acestuia în atmosfera Pământului. Studiul a fost publicat în Lucrările Academiei Naționale de Științe Am colectat și examinat microbi care consumă metan de la șapte infiltrări ale fundului mării, diverse din punct de vedere geologic și am descoperit, destul de surprinzător, că rocile carbonatice dintr-un loc, în special, găzduiesc comunități microbiene oxidante cu metan, cu cele mai ridicate rate de consum de metan măsurate până în prezent.

„Microbii din aceste roci carbonatice acționează ca un biofiltru pentru metan care consumă totul înainte de a părăsi oceanul”, a declarat autorul principal Peter Gerges, profesor de biologie organică și evolutivă la Universitatea Harvard. Cercetătorii au studiat de zeci de ani microbii care trăiesc în sedimentele de pe fundul mării și știu că acești microbi consumă metan. Cu toate acestea, acest studiu a examinat în detaliu microbii care prosperă în rocile carbonatice.

Rocile carbonatice de la fundul mării sunt obișnuite, dar în anumite locații formează structuri neobișnuite asemănătoare coșului. Aceste stive ating o înălțime de 12 până la 60 inci și se găsesc în clustere de-a lungul fundului mării, asemănătoare cu o serie de copaci. Spre deosebire de multe alte tipuri de roci, aceste roci carbonatate sunt poroase, creând canale către o comunitate foarte densă de microbi consumatori de metan. În unele cazuri, acești microbi se găsesc la o densitate mult mai mare în roci decât în ​​sedimente.

În timpul unei expediții din 2015 finanțată de Ocean Exploration Trust, Gerges a descoperit un coș de carbonat de recife în largul coastei sudului Californiei, la amplasamentul de adâncime Point Dume. Gerges s-a întors în 2017 cu finanțare de la NASA pentru construirea unui observator pe fundul mării. La aderarea la laboratorul lui Gerges, Marlowe, acum profesor asistent de biologie la Universitatea din Boston, studia microbii în carbonați. Cei doi au decis să efectueze un studiu comunitar și să colecteze probe de sit.

„Am măsurat rata la care microbii mănâncă carbonat metan comparativ cu microbii din sedimente”, a spus Gerges. Am descoperit că microbii care trăiesc în carbonați consumă metan de 50 de ori mai repede decât microbii din sedimente. De multe ori vedem că unii microbi de sedimente de la vulcanii de noroi bogați în metan, de exemplu, pot fi de cinci până la zece ori mai repede care absorb metan, dar de 50 de ori mai rapid este ceva cu totul nou. Mai mult, aceste rate sunt printre cele mai mari, dacă nu chiar cele mai mari, pe care le-am măsurat oriunde ”.

„Ratele de oxidare sau consum de metan sunt cu adevărat neobișnuite și ne-am propus să înțelegem de ce”, a spus Marlowe.

Echipa a descoperit că coșul de carbonat este un habitat ideal pentru ca microbii să mănânce foarte mult metan foarte repede. „Aceste stive există deoarece o parte din metanul din fluidul care curge din interiorul Pământului este transformat de microbi în bicarbonat, care poate precipita din apa de mare sub formă de rocă carbonată”, a spus Marlowe. „Încă încercăm să ne dăm seama de unde provine acest fluid – și metanul său”.

Micromediile din carbonați pot conține mai mult metan decât sedimente datorită naturii lor poroase. Carbonații conțin canale care sting continuu microbii cu metan proaspăt și alți nutrienți, permițându-le să consume metan mai repede. În sedimente, aprovizionarea cu metan este adesea limitată, deoarece se difuzează prin canale mai mici de meandră între boabele de minerale.

Descoperirea uimitoare a fost că, în unele cazuri, acești microbi sunt înconjurați de pirită, care este un conductor de electricitate. O explicație posibilă pentru ratele mai mari de consum de metan este că pirita oferă un canal electric care trece electronii înainte și înapoi, permițând microbilor să aibă rate metabolice mai mari și să consume rapid metan.

„Aceste rate foarte ridicate sunt facilitate de acești carboni care oferă un cadru pentru creșterea microbiană”, a spus Gerges. „Sistemul este ca o piață în care carbonații permit unui grup de microbi să se adune într-un singur loc și să crească și să schimbe – în acest caz, schimbul de electroni – permițând consumul de mai mult metan”.

Marlowe a fost de acord: „Când microbii funcționează împreună, fie fac schimb de elemente de bază precum carbonul sau azotul, fie fac schimb de energie. Și un fel de a face acest lucru este prin electroni, ca o monedă energetică. Pirita împrăștiată pe toate aceste roci carbonatice poate ajuta schimbul de electroni are loc mai rapid și la scară largă. ”

În laborator, cercetătorii pun carbonii colectați în reactoare de înaltă presiune și recreează condițiile de pe fundul mării. Ei le-au dat metan marcat cu izotopi cu adăugarea de carbon-14 sau deuteriu (hidrogen-2) pentru a urmări producția și consumul de metan. Echipa a comparat apoi datele de la Point Dume la șase locații suplimentare, de la Golful Mexic până la coasta New England. În toate locurile, rocile carbonatice din filtrele de metan conțineau microbi care consumă metan.

„În continuare, intenționăm să separăm modul în care fiecare dintre aceste părți diferite ale carbonatului – structura, conductivitatea electrică, fluxul de fluid, comunitatea microbiană densă – face acest lucru posibil. Până în prezent, nu știm exact ce contribuie fiecare”, a spus Gerges .

În primul rând, trebuie să înțelegem cum acești microbi își mențin rata metabolică, indiferent dacă sunt într-un coș de fum sau în sediment. „Trebuie să știm acest lucru în lumea noastră în schimbare pentru a ne construi puterea predictivă”, a spus Marlowe. „Odată ce explicăm modul în care acești factori corelați se combină pentru a transforma metanul în rocă, putem întreba cum putem aplica acești microbi anaerobi care se hrănesc cu metan în alte situații, cum ar fi depozitele de deșeuri cu scurgeri de metan.”

Referință: „Comunitățile microbiene găzduite de carbonat sunt oxidanți prolifici și răspândiți ai metanului în diverse zone de infiltrare a metanului din punct de vedere geologic” de Jeffrey J. Marlowe, Daniel Hoyer, Sean B. Jongbloth, Linda M. Renard, Amy Gartman, Marco Chavez, Mohamed El- Naggar, Noreen Toros, Victoria J. Orvan și Peter R. Gerges, Lucrările Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.2006857118