Et nyt permafrostgasmysterium

Fugtig kælder. Gamle sokker. Rådne æg. Dampende komøg.

Tro det eller ej, disse er duftene af vores forskning, som har ført os over det europæiske Arktis fra Nordskandinavien til mange afkroge af Grønland. Vi studerer frigivelsen af ​​en bestemt gruppe forbindelser fra den arktiske tundra, når klimaet opvarmes.

På en tur, vi hjalp nogle af vores kolleger med at bore ned i den frosne jord for at hente en kerne af permafrost, og vi bemærkede en stærk, karakteristisk lugt.

Vi kan bedst beskrive det som en grim lugt af rådne æg blandet med den friske duft af jord efter regn. Og det er denne stank, der fik os til at tro, at der er meget mere end bare kuldioxid og metan, som begge er lugtfri drivhusgasser, frigives til atmosfæren, når permafrost tøer op.

Så, vi bragte noget af permafrostjorden tilbage til vores laboratorium i København. Vi anbragte prøverne i Mason-krukker, koblede dem til en ekstremt følsom gasanalysator for at se, hvad disse gasser var.

Til vores overraskelse fandt vi ikke bare et par oversete gasser, men flere hundrede forskellige typer gasser siver ud af den optøende permafrost. Mange af dem lugter virkelig, men i laboratoriet opdagede vi mange flere, der er lige så lugtfri, som de er usynlige.

Bor i permafrosten

Men hvad er disse gasser? Og hvor kommer de fra? Svaret ligger i bakterielivet gemt væk i disse frosne jorder.

Gasserne tilhører en gruppe af kemikalier, der tilsammen er kendt som flygtige organiske forbindelser eller VOC'er, produceret af bakterier.

Permafrostjord kan virke et ret ugæstfrit sted med temperaturer konstant under frysepunktet. Men, et enkelt gram af denne forkølelse, Arktisk jord kan indeholde millioner af bakterier.

De fleste overlever ved at gå ind i en metabolisk inaktiv hviletilstand, men nogle af dem har tilpasset sig de barske forhold og holder sig aktive. For eksempel, nogle bakterier indeholder anti-fryseproteiner, der forhindrer iskrystaller i at dannes i cellerne ved at sænke vandets frysepunkt.

Faktisk, permafrost er vært for en ganske stor mangfoldighed af mikrobielt liv. De trives i flydende saltlageårer, der løber gennem den frosne jord, hvor frysepunktet er lavere på grund af den store mængde salt. Og de kan også overleve i toppen af ​​permafrosten, hvor smeltevand fra den ufrosne jord ovenover kan infiltrere.

Bakteriel smalltalk

Bakterier oplever sandsynligvis ikke hjertesorg eller midtvejskriser, og livet som bakterie er nok ikke så kompliceret. Ikke desto mindre, de kommunikerer med hinanden og deres omgivelser.

Bakterier producerer VOC'er for at fungere som signaler, der lader andre bakterier vide, hvornår de skal reproducere eller implementere forsvarsforanstaltninger mod potentielle fjender.

Andre VOC'er frigives til intet specifikt formål. De er simpelthen et biprodukt af fordampning eller et utal af andre aktiviteter, der foregår i mikrobielle samfund.

Så, de permafrostgasser, vi observerede i vores eksperiment, var i det væsentlige produkter af gammel bakteriel kommunikation og metabolisk aktivitet.

Mens bakteriel aktivitet i permafrost er meget lav, disse gasser kan opbygges over lang tid. Mens de langsomt akkumuleres, de bliver fanget i disse gamle permafrostjorde, som kan være millioner af år gammelt og til sidst opbygge en betydelig mængde gas. Dette kan forklare den store, hurtig gasudløsning, som vi observerede ved optøning.

Fri bar i permafrosten

Af de hundredvis af VOC'er, vi målte, ethanol skilte sig især ud, da det udgjorde 50 procent af den masse, der blev frigivet fra den optøende permafrost.

Ethanolgas indikerer gæringsprocesser i den frosne permafrost. Mængden af ​​frigivet ethanol var imponerende og fremhæver sårbarheden af ​​permafrost og den mulige indvirkning dette kulstofreservoir kan have på atmosfærens overordnede kemi.

Hvis vi som planet, forsømmer at reducere drivhusgasemissioner, så vil den efterfølgende globale opvarmning sandsynligvis få 40-80 procent af permafrostjorden nær overfladen til at tø ved udgangen af ​​dette århundrede.

Hvis vi antager, at alle permafrostjorde udsender den samme mængde ethanol, som vi har observeret, klimaopvarmning vil føre til frigivelse af 1, 000 milliarder tons ethanol. Det svarer til 21, 500 års trafikemissioner fra en by på størrelse med Los Angeles, den mest overbelastede by i verden, forudsat at alle biler brugte ethanol som benzin.

Ligesom i det mindste en del af den menneskelige befolkning, bakterier indtager også ivrigt ethanol. Permafrost er overlejret af et lag jord, der tøer op hver sommer - det såkaldte 'aktive lag'. Det aktive jordlag rummer et aktivt mikrobielt samfund, der er klar til at drikke på permafrostens VOC-gasser som ethanol, da de diffunderer opad for at nå atmosfæren.

VOC'er på menuen

Vi var i stand til at observere disse gasser, fordi vi gravede ned i den dybe permafrost og fysisk bragte dem op til overfladen. På hvilket tidspunkt den frosne jord optøede, og gasserne blev frigivet.

Men hvad ville der ske i 'det virkelige liv', hvis gasserne ikke blev fysisk forstyrret på denne måde? Ville de stadig nå overfladen, hvis de fik lov til at diffundere op til overfladen på egen hånd?

Mens VOC'er frigives af nogle bakterier, de kan være mad for andre. Så spørgsmålet var, om permafrostens VOC-gasser ville blive spist af mikroorganismer, der lever i det aktive jordlag, og så forhindret i nogensinde at nå atmosfæren?

For at teste dette, vi opretter endnu et eksperiment, hvor vi sammenlignede frigivelsen af ​​VOC fra murerkrukker med permafrost alene med murerkrukker der indeholdt både permafrost og en aktiv lagjord.

Vi så, at det aktive lag var koloniseret af tørstige mikroorganismer, da næsten alle permafrostens VOC'er aldrig kom igennem det aktive jordlag.

Betyder det så, at permafrost frigivet VOC ikke vil påvirke atmosfæren?

Højst sandsynligt ikke. Arktis oplever i øjeblikket klimaopvarmning dobbelt så hurtigt som resten af ​​planeten, og det betyder, at permafrosten tøer op med stigende hastighed.

Periodisk frysning og optøning er kraftige processer, der forårsager jordskred og skubber dybere jordlag til overfladen. En sådan omformning af landskabet udsætter frossen permafrostjord for direkte kontakt med atmosfæren, hvilket tillader VOC'er at omgå tørstige bakterier.

Jorden synker?

Vi opdagede også en anden vigtig proces:dvs. bakteriers evne til at indtage store mængder VOC i jorden over permafrosten, selv ved lave temperaturer.

Ligesom bakterier, træer og andre planter bruger VOC'er til kommunikations- og forsvarsformål. Og faktisk, VOC-frigivelsen fra planter er 10-1000 gange højere sammenlignet med jord.

VOC'er udsendt fra vegetation hvirvler rundt i luften nær jorden, før de til sidst når den øvre atmosfære. Men hvad sker der, når disse VOC'er kortvarigt lander på jordoverfladen?

Hvis jorden effektivt optager planteemitterede VOC'er og derved reducerer nettofrigivelsen af ​​VOC'er til atmosfæren, dette kan have konsekvenser for VOC'er i atmosfæren.

VOC'er påvirker atmosfæren på en række måder, hvoraf mange ikke er fuldt ud forstået. For eksempel, når de blandes med trafikudstødning bidrager VOC til produktion af luftforurening. De kan også klæbe sammen og danne små partikler og endda skyer, som kan afkøle planeten. På den anden side, VOC'er kan også øge koncentrationerne af atmosfærisk metan og ozon, som begge er potente drivhusgasser.

Så, lige nu, vi er i laboratoriet i gang med eksperimenter for at finde ud af præcis, hvordan VOC'er frigives fra permafrosten i forskellige situationer for at forstå, hvordan dette kan ændre sig i fremtiden, når klimaet fortsætter med at varme.

VOC'er afbøder eller fremskynder klimaopvarmningen

Klimaforskere er interesserede i VOC'er, fordi de kan ændre den fysiske og kemiske balance i atmosfæren.

Afhængigt af de specifikke forbindelser, meteorologiske forhold, og hvilke andre gasser de er blandet med i luften, VOC'er kan have enten en opvarmning eller en afkølende effekt på klimaet.

VOC'er letter atmosfærisk partikelvækst og inducerer skydannelse, der afkøler klimaet ved at reflektere solstråling tilbage til rummet.

På den anden side, VOC'er kan bidrage til dannelsen af ​​jordnær ozon, som er en drivhusgas. Reaktionerne VOC'er deltager i kan også forlænge metans levetid, en anden drivhusgas. Dette har potentiale til at forstærke klimaopvarmningen.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra ScienceNordic, den betroede kilde til engelsksprogede videnskabsnyheder fra de nordiske lande. Læs den originale historie her.