Mærkelige isotoper:Forskere forklarer et metanisotopparadoks på havbunden

Metan, en kemisk forbindelse med molekylformlen CH ₄ , er ikke kun en kraftig drivhusgas, men også en vigtig energikilde. Det opvarmer vores hjem, og selv havbundsmikrober lever af det. Mikroberne bruger en proces kaldet anaerob oxidation af metan (AOM), som almindeligvis sker på havbunden i såkaldte sulfat-metan-overgangszoner-lag i havbunden, hvor sulfat fra havvandet møder metan fra det dybere sediment. Her, specialiserede mikroorganismer, den anaerobt metanoxiderende (ANME) arkæa, indtage metanen. De lever i tæt forbindelse med bakterier, som bruger elektroner frigivet under metanoxidation til sulfatreduktion. Til dette formål, disse organismer danner karakteristiske konsortier.

Denne proces foregår globalt i havbunden og er derfor en vigtig del af kulstofkredsløbet. Imidlertid, at studere AOM-processen er udfordrende, fordi reaktionen er meget langsom. Til sin undersøgelse, forskere bruger ofte en kemisk evne:de stabile isotopforhold i metan. Men desværre, disse isotoper opfører sig ikke altid som forventet, hvilket førte til alvorlig forvirring om de involverede mikrobers rolle og funktion. Nu har forskere fra Max Planck Institute for Marine Microbiology og MARUM—Center for Marine Environmental Sciences i Tyskland sammen med kolleger fra Weizmann Institute of Science i Israel løst denne isotopgåde og offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Dette baner vejen for en bedre forståelse af den vigtige proces med anaerob metanoxidation.

Isotoper afslører reaktionsveje

Puslespillet og dets løsning i detaljer:Isotoper er forskellige "versioner" af et grundstof med forskellige masser. Et grundstofs isotoper har det samme antal protoner (positivt ladede partikler) i kernen og derfor samme position i det periodiske system (iso topos =græsk, samme sted). Imidlertid, de adskiller sig i antallet af neutroner (neutrale partikler) i kernen. For eksempel, kulstof har to stabile isotoper, jo lighter ¹² C og jo tungere ¹³ C. Derudover, der er den velkendte radioaktive isotop ¹⁴ C, en meget sjælden kulstofart, der bruges til at bestemme alderen på kulstofholdige materialer. Selvom de kemiske egenskaber af de to stabile isotoper er identiske, forskellen i masse resulterer i forskellige reaktionshastigheder. Når kemiske forbindelser reagerer, dem med de lettere isotoper omdannes normalt hurtigere, efterlader den tungere variant i den indledende reaktant. Denne ændring i isotopsammensætning er kendt som isotopfraktionering, og har været brugt i årtier til at spore kemiske reaktioner. I tilfælde af metanoxidation, Det betyder at ¹² C-methan indtages primært, hvilket fører til en berigelse på 13C i den resterende metan. Omvendt en mikrobiel produktion af metan (methanogenese) ville resultere i særligt let metan. "Virkelighed, imidlertid, er overraskende anderledes, " rapporterer Gunter Wegener. "I modsætning til logikken beskrevet ovenfor, vi finder ofte meget let metan i sulfat-methan overgangszoner."

Naturen følger ikke lærebogen:Let methan i sulfat-methan overgangszoner

Dette paradoks rejser spørgsmål, såsom:Er metan ikke forbrugt der, men hellere produceret? Og hvem, hvis ikke de talrige ANME archaea, skal være ansvarlig for dette? "I mit laboratorium, vi har verdens største samling af ANME-kulturer. Der kunne vi forsøge at finde ud af, om og hvordan metan-oxidatorerne selv kunne være ansvarlige for dannelsen af ​​let metan, " Wegener fortsætter. "De første resultater var tømning af luft:Ved de høje sulfatkoncentrationer, vi normalt finder i havvand, de dyrkede mikroorganismer opførte sig i henhold til lærebogen. Den resterende metan blev beriget i de tungere isotoper." hvis de samme forsøg blev udført med lidt sulfat, metan blev beriget med 12C, det blev lettere. Og dette skete, selvom metan blev ved med at blive forbrugt på samme tid - en effekt, der ved første øjekast havde ringe logik.

Tilgængeligheden af ​​sulfat styrer isotopvirkningerne i AOM

Så hvordan kunne de forklare metanisotopernes usædvanlige adfærd? Jonathan Gropp og hans mentor Itay Halevy fra Weizmann Institute of Science i Israel har brugt år på at studere isotopeffekterne af mikrobielle metabolisme, inklusive methanogenese - en reaktion, der katalyseres af de samme enzymer som den anaerobe oxidation af metan (AOM). Dermed, de var de ideelle partnere for teamet i Bremen. "Begge processer er baseret på en meget lignende kaskade af syv reaktioner, " siger Gropp. "Tidligere undersøgelser har vist, at alle disse reaktioner er potentielt reversible, hvilket betyder, at de kan foregå i begge retninger. Hver reaktion har også sine egne isotopeffekter." Ved hjælp af en model, Gropp var i stand til at vise, at afhængigt af hvor meget sulfat der er tilgængeligt, delreaktionerne kan vendes i varierende grad. Dette kan så føre til den situation, at tunge isotoper ikke som sædvanlig efterlades, men sidder fast i reaktionskæden, mens lette isotoper kanaliseres tilbage til metan. "Mikroberne ønsker at udføre reaktionen, men er begrænset til at gøre det på grund af de lave sulfatkoncentrationer, "forklarer Gropp, tilføjer, at "Vores designede model passer meget godt til isotopeksperimenterne."

De lange timer i laboratoriet og foran computeren gav pote for forskerne. Med deres studie, Wegener, Gropp og deres kolleger kunne vise, hvordan AOM resulterer i ¹³ C-depleteret metan. Især forsøgene med lidt sulfat afspejler fint forholdene i mikroorganismernes naturlige habitat, sulfat-methan overgangszonerne i havbunden. Der, mikroorganismerne trives ofte med kun lidt sulfat, som i lavsulfatforsøgene. "Nu ved vi, at metanoxidationsmidler kan være ansvarlige for opbygningen af ​​lette isotoper i metan ved sulfat-methan overgangszoner. Methanogenese er ikke påkrævet for det. Som vi havde mistanke om, ANME er metanoxidationsmidler, " slutter Marcus Elvert, sidste forfatter til den aktuelle undersøgelse. Nu er forskerne klar til næste skridt og vil finde ud af, om andre reaktioner viser lignende isotopeffekter.