Undersøgelse af mikrober afslører ny indsigt om Jordens geologi og kulstofkredsløb

Små mikrober spiller en stor rolle i at cykle kulstof og andre nøgleelementer gennem vores luft, vand, jord og sediment. Ikke kun mikrober fanger og frigiver kulstof, bidrager til en cyklus, der er central for livet på Jorden, de frigiver også forbindelser, der kan ændre eksisterende mineraler og danne nye - til gengæld former geologien i verden omkring os.

fat i det biologiske, kemiske og geologiske processer, som mikrober indgår i, er afgørende for at forstå og forudsige det globale klima, drivhusgas udledning, næringsstoftransport og andre naturfænomener.

Forskere, der studerer disse processer ved Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, har opdaget, at disse mikrobielle samfund er betydeligt påvirket af de tilgængelige typer kulstof "fødevarer". Deres fund, offentliggjort i tidsskriftet PLOS ONE , afsløre, at typen af ​​kulstofkilde ikke kun påvirker sammensætningen og aktiviteten af ​​naturlige mikrobielle samfund, men også til gengæld de typer mineralske produkter, der dannes i deres miljø.

"Vores undersøgelse viser den tætte kobling mellem biologiske systemer og miljøet, to ting, som de fleste mennesker ville overveje hver for sig, " sagde Argonne mikrobiolog Dion Antonopoulos, medforfatter til undersøgelsen. "Vi har illustreret, at når mikroorganismer ændrer deres miljø, deres miljø påvirker derefter typen af ​​mikroorganismer, der er der, og deres aktivitet."

Til deres analyse, forskerne fokuserede på mikrobielle samfund fundet under Jordens overflade, der udfører anaerob respiration - en kemisk proces til at frigive energi fra kulstof-"fødevare"-kilder, der opstår gennem en kompleks række af reaktioner i et iltfrit miljø. Bakterier optager kulstof og frigiver forskellige kemiske biprodukter til miljøet; nogle biprodukter fra denne proces ændrer de mineraler, der findes i det omgivende miljø.

Forskere tog disse særlige mikrobielle samfund og præsenterede dem for en af ​​tre kulstofkilder:glucose, et sukker med seks kulstof; laktat, en fire-carbon forbindelse; eller acetat, en simpel to-carbon forbindelse.

"Ud over at vælge acetat, lactat og glucose på grund af deres relative kompleksitet, vi valgte dem, fordi de er repræsentative for de fundne typer kulstofmolekyler, i forskellig grad, i underjordiske miljøer, " sagde Argonne-fysiker Kenneth Kemner, medforfatter til undersøgelsen.

Efter at have givet bakterierne disse tre fødekilder, forskerne brugte uger på at overvåge og måle ændringer i disse systemer. Blandt andet, de målte mængden og hastigheden, hvormed glukose, laktat og acetat blev brugt af bakterier, de mineralske biprodukter, der blev dannet i deres miljø og de typer mikrober, der var til stede på hvert tidspunkt.

"At studere væksten af ​​mikrobielle samfund er noget mange forskere har fokuseret på, men det faktum, at vi kombinerer dette med studiet af ændringer i disse systemers kemi, og gør det på en meget synkroniseret måde, er det, der gør denne værkroman, " sagde Argonne biogeokemiker Ed O'Loughlin, en anden medforfatter i undersøgelsen.

Ved at analysere disse data side om side kunne forskerne se, hvilke typer mikrober der blev mere eller mindre rigelige givet et bestemt sæt af miljøforhold. Overlapning af disse data gjorde det også muligt for dem at observere, hvordan de mikrobielle samfund ændrede sig sammen med ændringer i miljøforhold over tid.

"Tidligere undersøgelser brugte kun nogle få prøver og målte ændringer på blot nogle få tidspunkter, såsom start- og sluttilstand. I vores tilfælde, vi har indsamlet data på tværs af mange flere tidspunkter, bidrage til bedre at karakterisere systemets reaktion over tid, " sagde O'Loughlin.

Deres analyse viste, at en distinkt række ændringer skete konsekvent, når mikrober blev udsat for laktat- eller acetat-rige miljøer. Imidlertid, i glukoserige miljøer, de observerede forskellige forandringsmønstre.

"Vi mener, at fordi glukose er en større, mere kompleks forbindelse, der kan nedbrydes til mange enklere forbindelser, dette åbner op for flere kemiske veje i samfundet, hvorigennem det kan bruges, og at dette forskellige metaboliske potentiale er årsag til de forskellige mønstre, vi ser, " sagde O'Loughlin.

"Find ud af, hvad de parametre er, der får et mikrobielt samfund til at følge et bestemt mønster - det ville være en retning for fremtidig forskning, " han sagde.