Ny forskning viser, at jordens mikroorganismer kan producere yderligere drivhusgasemissioner fra optøende permafrost

Efterhånden som planeten er blevet opvarmet, har forskere længe været bekymrede over potentialet for, at skadelige drivhusgasser kan sive ud af den optøende arktiske permafrost. Nylige skøn tyder på, at i 2100 kan mængden af ​​kuldioxid og metan frigivet fra disse evigt frosne jorder være på niveau med emissioner fra store industrilande. Ny forskning ledet af et hold mikrobiomforskere fra Colorado State University tyder dog på, at disse estimater kan være for lave.

Mikroorganismer er ansvarlige for den proces, der vil generere drivhusgasser fra optøning af nordlige tørveområder, som indeholder omkring 50 % af verdens kulstof i jorden. Indtil videre er mange af mikroberne i dette miljø frosne og inaktive.

Men efterhånden som jorden tøer op, vil mikroberne "vågne op" og begynde at kværne gennem kulstof i jorden. Denne naturlige proces, kendt som mikrobiel respiration, er det, der producerer de kuldioxid- og methanemissioner, der er forudsagt af klimamodellere.

I øjeblikket antager disse modeller, at dette samfund af mikroorganismer - kendt som et mikrobiom - vil nedbryde nogle typer kulstof, men ikke andre. Men det CSU-ledede arbejde blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Nature Microbiology giver ny indsigt i, hvordan disse mikrober vil opføre sig, når de først er aktiveret. Forskningen viser, at jordmikroberne, der er indlejret i permafrosten, vil gå efter en klasse af forbindelser, der tidligere blev anset for at være urørlige under visse forhold:polyfenoler.

"Der var disse puljer af kulstof - for eksempel donuts, pizza og chips - og vi var trygge ved tanken om, at mikrober ville bruge disse ting," sagde Bridget McGivern, en CSU-postdoktor og avisens første forfatter.

"Men så var der noget andet, krydret mad; vi troede ikke, at organismerne kunne lide krydret mad. Men hvad vores arbejde viser, er, at der faktisk er organismer, der spiser det, og så det bliver ikke bare kulstof. , det vil blive nedbrudt."

Mere kulstof, der nedbrydes ved mikrobiel respiration, vil producere yderligere drivhusgasemissioner. Men denne nye opdagelse har også andre konsekvenser. Nogle videnskabsmænd havde tidligere teoretiseret, at tilføjelse af polyfenoler til den optøende arktiske permafrost potentielt kunne "slukke" disse mikroorganismer helt og effektivt fange en massiv cache af potentielt problematisk kulstof i jorden. Konceptet er kendt som enzymlåsteorien.

Det ser ikke længere ud til at være en levedygtig mulighed, sagde Kelly Wrighton, lektor ved College of Agricultural Sciences' Department of Soil and Crop Sciences, hvis laboratorium ledede arbejdet.

"Vi troede ikke kun, at disse mikrober ikke spiste polyfenoler," sagde Wrighton, "vi troede, at hvis polyfenolerne var der, var det som om de var giftige og ville låse mikroberne til inaktivitet."

Jordens mikrobiom er ofte blevet betragtet som noget af en sort boks på grund af dets kompleksitet. Wrighton håber, at denne nye information om polyfenolers rolle i permafrost hjælper med at ændre denne opfattelse.

"Jeg vil gerne gå forbi disse sorte boks-antagelser," sagde hun. "Vi kan ikke udvikle løsninger, hvis vi ikke forstår de underliggende ledninger og VVS i et system."

Undersøge permafrosten i Sverige

At låse op for forholdet mellem jordmikrober og polyfenoler har været mange år undervejs for McGivern, som begyndte at undersøge dette emne, mens hun arbejdede på sin doktorgrad i Wrightons laboratorium i 2017.

McGivern startede med et simpelt spørgsmål. Forskere antog, at uden ilt kunne jordmikrober ikke nedbryde polyfenoler. Tarmmikrober har dog ikke brug for ilt for at opløse forbindelsen – det er sådan, mennesker udvinder sunde antioxidantfordele fra polyphenolrige stoffer såsom chokolade og rødvin.

McGivern undrede sig over, hvorfor processen ville være anderledes i jord, et spørgsmål, der er særligt relevant for permafrost eller vandlidende områder, der indeholder lidt eller ingen ilt.

"Motivationen for en stor del af min Ph.D. var, hvordan kunne disse to ting eksistere?" sagde McGivern. "Organismer i vores tarm kan nedbryde polyfenoler, men organismer i jorden kan ikke? Virkeligheden var, at ingen i jorden virkelig nogensinde havde set på det."

McGivern og Wrighton testede teorien med succes i et laboratorieeksperiment og udgav et proof of concept-studie i 2021. Næste skridt var at teste den i feltet. Holdet fik adgang til kerneprøver fra et forskningssted i det nordlige Sverige, et sted, som forskere har brugt i årevis til at undersøge spørgsmål relateret til permafrost og jordens mikrobiome.

Men før McGivern kunne lede efter beviser for polyphenolnedbrydning i kerneprøverne, skulle hun først oprette en database med gensekvenser, der svarede til polyphenolmetabolisme. McGivern udgravede tusindvis af sider af eksisterende videnskabelig litteratur og katalogiserede enzymerne i kvæg, menneskets tarm og nogle jordarter, som man vidste var ansvarlige for processen.

Da hun byggede databasen, sammenlignede McGivern resultaterne med gensekvenserne udtrykt af mikroberne i kerneprøverne. Sikkert nok, sagde hun, var der polyphenol-metabolisme i gang.

"Det, vi fandt, var, at gener på tværs af 58 forskellige polyphenolveje blev udtrykt," sagde McGivern. "Så vi siger ikke kun, at mikroorganismerne potentielt kan gøre det, men de udtrykker faktisk generne for dette stofskifte i marken."

Alligevel er der brug for mere arbejde, sagde McGivern. De ved ikke, hvad der kan begrænse processen eller de hastigheder, hvormed stofskiftet sker – begge vigtige faktorer for i sidste ende at kvantificere mængden af ​​yderligere drivhusgasemissioner, der kan frigives fra permafrost.

"Hele pointen med dette er at opbygge en bedre forudsigelig forståelse, så vi har en ramme, vi faktisk kan manipulere," sagde Wrighton. "Klimakrisen, vi står over for, er så hurtig. Men kan vi modellere den? Kan vi forudsige den? Den eneste måde, vi kommer dertil, er ved faktisk at forstå, hvordan noget fungerer."

Flere oplysninger: Bridget McGivern et al., En cache af polyphenolmetabolisme opdaget i tørvemarksmikrobiomer, Nature Microbiology (2024). DOI:10.1038/s41564-024-01691-0

Journaloplysninger: Naturmikrobiologi

Leveret af Colorado State University