Mikrobielt tyveri muliggør nedbrydning af metan, giftig methylkviksølv

Et hold ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og University of Michigan har opdaget, at visse bakterier kan stjæle en essentiel forbindelse fra andre mikrober for at nedbryde metan og giftigt methylkviksølv i miljøet.

Resultaterne kunne informere strategier, der sigter mod at manipulere disse mikroorganismer for at reducere emissioner af metan, en kraftig drivhusgas, og afgifte methylkviksølv, et potent neurotoksin, der kan ophobes i fødeforsyningen.

Studiet, udgivet i ISME Journal , fandt ud af, at visse klasser af metanotrofer eller metanforbrugende bakterier, der tidligere blev antaget ude af stand til at nedbryde methylkviksølv, faktisk kan nedbryde det i miljøet. Denne aktivitet er mulig, fordi mikroberne er udstyret med det cellulære maskineri til at absorbere og bruge en forbindelse kaldet methanobactin, der produceres af andre mikrober.

Metanotrofer er udbredt i naturen. De lever i nærheden af ​​metan- og luftgrænseflader, såsom det øverste lag af jord, flodsedimenter og vådområder, hvor de kan få adgang til ilt, mens de lever af den metan, der strømmer op fra det anoxiske, eller iltmangel, miljøer nedenfor.

Disse bakterier spiller en afgørende rolle i kulstofkredsløbet, indtager betydelige mængder metan genereret af andre mikrober kaldet methanogener. Denne naturlige modvægt er vigtig for at begrænse metan-emissioner, som er 25 gange stærkere end kuldioxid til at opvarme Jordens atmosfære.

At forstå mere om metan-feeders funktion, kan pege på metoder til at bruge dem som håndtag til at kontrollere metanemissioner. Den nye viden kan også bedre informere klimamodeller, der forudsiger planetens fremtid.

Forskere opdagede disse nye metanotrofe-adfærd, mens de studerede et andet globalt problem:kviksølvforurening. ORNL har en lang historie med gennembrud relateret til kviksølv, herunder deres opdagelse i 2013 af de gener, der gør det muligt for mikrober at omdanne kviksølv til toksinet methylkviksølv.

I 2017, et ORNL-ledet hold var de første til at demonstrere, at nogle metanotrofer kan nedbryde methylkviksølv, en proces kaldet demethylering. Deres nyeste resultater bygger på denne opdagelse, viser, at flere metanotrofer end hidtil kendt kan nedbryde methylkviksølv.

"Når vi får ny indsigt om metanotrofiske aktiviteter, vi kan være i stand til mere effektivt at manipulere disse mikrobielle samfund for at reducere metan-emissioner og forbedre kviksølvafgiftning i miljøet, " sagde Baohua Gu, en ORNL virksomhedsstipendiat og biogeokemiker.

Producere og snydere

Metanotrofer leder efter det nemmeste, hurtigste fødevareforsyning, med et mål for enkeltkulstofforbindelser som metan og methylkviksølv, som har lignende kemiske strukturer. Disse mikrober kræver også kobber for at brænde deres metaboliske processer. Det er dette behov for kobber, der kan begrænse metanotrofisk aktivitet, at drive mikroberne til at søge kobberkilder i miljøet ved hjælp af mange forskellige metoder.

Nogle metanotrofer bruger et overfladeprotein til at sikre kobber. Andre udskiller en forbindelse kaldet methanobactin, eller MB, der binder med kobber i miljøet og letter kobberindsamling. Tidligere resultater fra holdet havde vist, at kun bakterier med det genetiske og metaboliske maskineri til at producere MB kan nedbryde methylkviksølv.

Forskernes seneste resultater viser, at nogle metanotrofer, der ikke laver MB, kan afgifte methylkviksølv ved at bruge MB udskilt af andre metanotrofer. Med andre ord, de stjæler den.

"De er effektivt det, vi kalder snydere, " sagde mikrobiolog Jeremy Semrau ved University of Michigan. "Dette er blevet observeret før, hvor en mikroorganisme producerer noget, der er til gavn for det generelle samfund, og andre stjæler det. Dette gør det muligt for nogle metanotrofer at opfylde deres kobberkrav."

Forskerholdet viste også, at vellykket tyveri af MB kræver, at metanotrofer har genet, hedder mbnT, der muliggør produktion af et specifikt protein kaldet TonB transporteren. passende navn, dette protein flytter MB – og det tilhørende kobber – ind i mikroben, muliggør nedbrydning af methylkviksølv og metan.

Forskere ved U-M konstruerede en stamme af metanotrofer uden mbnT-genet, og holdet på ORNL analyserede kviksølvet i prøverne. Fjernelsen af ​​mbnT-genet og transporterproteinet i disse mikrober deaktiverede effektivt deres evne til at optage MB eller afgifte methylkviksølv.

Disse indsigter kan informere fremtidige veje mod at håndtere kviksølvforurening i miljøet.

"Jeg synes, det er en vidunderlig strategi fremadrettet, hvor vi måske kan bruge metanotrofer til at hjælpe med at afhjælpe kviksølvforurenede steder, og at dette måske faktisk foregår, til en vis grad, naturligt, " sagde Semrau.

Endnu en brik i puslespillet

Metanotrofer er almindelige i miljøet, men der er stadig meget at lære om deres aktiviteter. Et team ledet af ORNL miljøforsker Scott Brooks samarbejdede med Semraus gruppe ved UM om opdagelsen af ​​flere nye metanotrofer i East Fork Poplar Creek, en kviksølvforurenet strøm, der strømmer gennem Oak Ridge Reservatet, som er blevet undersøgt i årtier.

Brooks og hans team har studeret biofilm, som er komplekse samfund af alger og bakterier, der samler sig på åens sten som "grønt slim". Selvom biofilm kun er omtrent så tyk som et par stablede kreditkort, de er hot spots for kviksølv og næringsstofforarbejdning.

ORNL-teamet havde tidligere fundet ud af, at iltmangelfulde lommer i disse biofilm huser mikrober, der omdanner kviksølv til sin mest giftige form:methylkviksølv. Deres nylige opdagelse af metanotrofer i de iltrige fordybninger af de samme biofilm betyder, at nedbrydning af methylkviksølv også forekommer naturligt i åen.

"Der er nogle virkelig stejle kemiske gradienter og ændringer i koncentration, der finder sted over en meget lille afstand, " sagde Brooks. Det inkluderer opløst ilt, der "forsvinder inden for et par tiendedele af en millimeter."

Disse små iltlommer er nok til, at metanotrofer kan trives. Foreløbig analyse viste, at mikrobiel aktivitet, der producerer methylkviksølv, oversteg den metanotrofiske aktivitet, der nedbryde toksinet. Med yderligere undersøgelse, forskere kunne potentielt identificere metoder til at vende balancen mod nedbrydning af methylkviksølv.

"Dette er et dejligt ægteskab mellem to forskellige forskningsprojekter, der arbejder parallelt, " sagde Brooks. "Vi ser ting, der er i overensstemmelse med hinanden, og som hjælper os med at bekræfte, hvad der sker med kviksølvcykling i disse komplekse mikrobielle samfund."