Mikrober i havet spiller en vigtig rolle i at moderere jordens temperatur

Metan er en stærk drivhusgas, der spiller en nøglerolle i Jordens klima. Hver gang vi bruger naturgas, uanset om vi tænder op i vores køkkenkomfur eller griller, vi bruger metan.

Kun tre kilder på Jorden producerer metan naturligt:​​vulkaner, underjordiske vand-klippe interaktioner, og mikrober. Mellem disse tre kilder, det meste er genereret af mikrober, som har aflejret hundredvis af gigatons metan i den dybe havbund. På havbunden siver metan ud, det siver opad mod det åbne hav, og mikrobielle samfund forbruger størstedelen af ​​denne metan, før den når atmosfæren. I årenes løb, forskere finder mere og mere metan under havbunden, men meget lidt forlader nogensinde havene og kommer ind i atmosfæren. Hvor skal resten hen?

Et team af forskere ledet af Jeffrey J. Marlow, tidligere postdoktor i Organismisk og Evolutionær Biologi ved Harvard University, opdagede mikrobielle samfund, der hurtigt forbruger metan, forhindrer dens flugt ind i jordens atmosfære. Undersøgelsen offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences indsamlet og undersøgt metan-spisende mikrober fra syv geologisk forskellige havbundsudsivninger og fundet, højst overraskende, at karbonatklipperne fra især ét sted er vært for metanoxiderende mikrobielle samfund med det højeste metanforbrug målt til dato.

"Mikroberne i disse karbonatsten opfører sig som et biofilter med metan, der forbruger det hele, før det forlader havet, " sagde seniorforfatter Peter Girguis, Professor i organisk og evolutionsbiologi, Harvard Universitet. Forskere har studeret mikrober, der lever i havbundens sediment i årtier og ved, at disse mikrober indtager metan. Dette studie, imidlertid, undersøgt mikrober, der trives i karbonatklipperne meget detaljeret.

Havbundskarbonatsten er almindelige, men på udvalgte steder, de danner usædvanlige skorstenslignende strukturer. Disse skorstene når 12 til 60 tommer i højden og findes i grupper langs havbunden, der ligner en bevoksning af træer. I modsætning til mange andre typer sten, disse karbonatsten er porøse, skabe kanaler, der er hjemsted for et meget tæt samfund af metanforbrugende mikrober. I nogle tilfælde, disse mikrober findes i meget højere tætheder i klipperne end i sedimentet.

Under en ekspedition i 2015 finansieret af Ocean Exploration Trust, Girguis opdagede et karbonatskorstensrev ud for det sydlige Californiens kyst ved dybhavsstedet Point Dume. Girguis vendte tilbage i 2017 med finansiering fra NASA til at bygge et havbundsobservatorium. Da han sluttede sig til Girguis' laboratorium, Marlow, i øjeblikket assisterende professor i biologi ved Boston University, studerede mikrober i karbonater. De to besluttede at gennemføre en samfundsundersøgelse og samle prøver fra stedet.

"Vi målte den hastighed, hvormed mikroberne fra karbonaterne spiser metan sammenlignet med mikrober i sediment, " sagde Girguis. "Vi opdagede, at mikroberne, der lever i karbonaterne, forbruger metan 50 gange hurtigere end mikroberne i sedimentet. Vi ser ofte, at nogle sedimentmikrober fra metanrige muddervulkaner, for eksempel, kan være fem til ti gange hurtigere til at spise metan, men 50 gange hurtigere er en helt ny ting. I øvrigt, disse satser er blandt de højeste, hvis ikke den højeste, vi har målt hvor som helst."

"Disse hastigheder af metanoxidation, eller forbrug, er virkelig ekstraordinære, og vi satte os for at forstå hvorfor, " sagde Marlow.

Holdet fandt ud af, at karbonatskorstenen danner et ideelt hjem for mikroberne til at spise en masse metan rigtig hurtigt. "Disse skorstene eksisterer, fordi noget metan i væsken, der strømmer ud fra undergrunden, omdannes af mikroberne til bicarbonat, som så kan bundfældes ud af havvandet som karbonatsten, " sagde Marlow. "Vi forsøger stadig at finde ud af, hvor væsken - og dens metan - kommer fra."

Mikromiljøerne i karbonaterne kan indeholde mere metan end sedimentet på grund af dets porøse natur. Karbonater har kanaler, der konstant overrisler mikroberne med frisk metan og andre næringsstoffer, så de kan indtage metan hurtigere. I sediment, tilførslen af ​​metan er ofte begrænset, fordi den diffunderer gennem mindre, snoede kanaler mellem mineralkorn.

Et overraskende fund var, at i nogle tilfælde, disse mikrober er omgivet af pyrit, som er elektrisk ledende. En mulig forklaring på det høje metanforbrug er, at pyritten danner en elektrisk ledning, der sender elektroner frem og tilbage, giver mikroberne mulighed for at have højere metaboliske hastigheder og hurtigt indtage metan.

"Disse meget høje mængder lettes af disse karbonater, som danner en ramme for mikrobernes vækst, " sagde Girguis. "Systemet ligner en markedsplads, hvor karbonater tillader en masse mikrober at samle sig på ét sted og vokse og udveksle - i dette tilfælde, udveksle elektroner - hvilket giver mulighed for mere metanforbrug."

Marlow var enig, "Når mikrober arbejder sammen, udveksler de enten byggesten som kulstof eller nitrogen, eller de udveksler energi. Og en måde at gøre det på er gennem elektroner, som en energivaluta. Pyriten spredt gennem disse carbonatklipper kunne hjælpe med at elektronudvekslingen sker hurtigere og bredere."

I laboratoriet, forskerne puttede de opsamlede karbonater i højtryksreaktorer og genskabte forhold på havbunden. De gav dem isotopisk mærket metan tilsat kulstof-14 eller deuterium (brint-2) for at spore metanproduktion og -forbrug. Holdet sammenlignede derefter dataene fra Point Dume med seks yderligere websteder, fra den Mexicanske Golf til New Englands kyst. Alle steder, karbonatsten ved metanudsivninger indeholdt methan-spisende mikrober.

"Dernæst planlægger vi at skille ad, hvordan hver af disse forskellige dele af karbonaterne - strukturen, elektrisk ledningsevne, væskestrøm, og tætte mikrobielle samfund – gør dette muligt. Fra nu af, vi kender ikke det nøjagtige bidrag fra hver enkelt, " sagde Girguis.

"Først, vi er nødt til at forstå, hvordan disse mikrober opretholder deres stofskifte, uanset om de er i en skorsten eller i sedimentet. Og vi har brug for at vide dette i vores foranderlige verden for at opbygge vores forudsigelseskraft, " sagde Marlow. "Når vi har afklaret, hvordan disse mange indbyrdes forbundne faktorer kommer sammen for at gøre metan til sten, vi kan så spørge, hvordan vi kan anvende disse anaerobe metan-spisende mikrober i andre situationer, som lossepladser med metanlækager."