Бактерии в озерах борются с изменением климата: роль метанотрофов как биологического фильтра метанаБактерии в озерах борются с изменением климата: роль метанотрофов как биологического фильтра метана
Метан - мощный парниковый газ, образующийся как в морской, так и в пресной воде.
В частности, озера выделяют большое количество этого "убийцы климата". Однако, к счастью, существуют микроорганизмы, которые противодействуют этому. Они способны использовать метан для роста и выработки энергии, тем самым предотвращая его выброс в атмосферу. Поэтому эти микроорганизмы, известные как метанотрофы, считаются важным биологическим фильтром метана.
Метанотрофы включают в себя различные группы микроорганизмов и на многие вопросы об их образе жизни еще предстоит найти ответы. Исследование ученых из Института морской микробиологии имени Макса Планка в Бремене (Германия), опубликованное в журнале Nature Communications, показывает удивительные способности некоторых из этих организмов и их ранее не учитываемую роль в нашем климате.
Для проведения исследования ученые отправились на озеро Цуг в Швейцарии. Глубина этого озера составляет почти 200 метров, и начиная с глубины около 120 метров в нем практически нет кислорода. Тем не менее, в бескислородной воде присутствуют так называемые аэробные метанокисляющие бактерии (МОБ). Они, как следует из названия, в основном зависят от кислорода. Могут ли они расщеплять метан в бескислородной водной среде и каким образом, до сих пор оставалось неясным. Поэтому авторы исследования решили поближе познакомиться с деятельностью этих микроорганизмов. Для исследования они использовали молекулы метана (CH4), меченные "тяжелыми" атомами углерода (13C вместо 12C). Их добавляли в образцы воды из природных озер, в которых обитали микроорганизмы.
Затем ученые проследили путь тяжелого углерода в отдельных клетках с помощью специальных приборов (NanoSIMS). Это позволило им наблюдать, как бактерии преобразуют метан в углекислый газ, который также является мощным парниковым газом, но менее разрушительным для климата, чем метан. Часть углерода попадала непосредственно в бактериальные клетки. Это позволило определить, какие клетки в бактериальном сообществе активны, а какие нет. Используя современные методы, такие как метагеномика и метатранскриптомика, они также изучили, какие метаболические пути используют бактерии.
"Наши результаты показывают, что аэробные MOБ остаются активными и в бескислородной воде", - рассказывает соавтор работы Сина Шорн. "Однако это относится только к определенной группе MOБ, легко узнаваемой по характерной палочковидной форме клеток. К нашему удивлению, эти клетки были одинаково активны в кислородных и бескислородных условиях. Таким образом, если в бескислородных водах скорость окисления метана ниже, то это, скорее всего, связано с меньшим количеством этих бактерий, а не с тем, что они менее активны".
При более детальном изучении метаболических возможностей этой группы бактерий исследователи столкнулись с еще одним сюрпризом. "По присутствующим генам мы смогли определить, как бактерии реагируют на недостаток кислорода", - объясняет Шорн. "Мы обнаружили гены, которые используются для особого типа ферментации на основе метана". Хотя этот процесс уже был продемонстрирован на культурах MOБ в лаборатории, в окружающей среде он еще не изучался. Исследователи также обнаружили несколько генов для денитрификации, которые, вероятно, позволяют бактериям использовать нитрат вместо кислорода для получения энергии.
Интересен, в частности, процесс ферментации. "Если MOБ осуществляют ферментацию, они, вероятно, выделяют вещества, которые другие бактерии могут использовать для роста. Это означает, что углерод, содержащийся в метане, сохраняется в озере в течение более длительного периода времени и не попадает в атмосферу. Это создает поглотитель углерода метана в бескислородной среде, который обычно не учитывается и который мы должны будем включить в наши будущие расчеты", - объясняет Шорн.
В этом исследовании ученые объясняют, кто расщепляет метан в бескислородной среде обитания и как происходит это расщепление. Они показывают, что метанокисляющие бактерии чрезвычайно важны для сдерживания выброса метана из этих мест обитания в атмосферу. "Метан - мощный парниковый газ, который отвечает примерно за треть текущего глобального повышения температуры", - утверждает Шорн. "Окисление метана микроорганизмами является единственным биологическим процессом поглощения метана. Поэтому их деятельность имеет решающее значение для контроля выбросов метана в атмосферу и, следовательно, для регулирования глобального климата. Учитывая текущее и прогнозируемое увеличение аноксичных условий в озерах умеренной зоны, ожидается, что значение MOБ для деградации метана в озерах будет расти. Наши результаты позволяют предположить, что в будущем MOБ внесут значительный вклад в смягчение последствий выбросов парниковых газов и накопление углерода".
